微滴合并是微流控系统中常见的功能，广泛应用于生物和化学检测。然而，传统的合并技术常因微滴不同步而导致过度合并或错误合并，尤其在微滴尺寸多分散的情况下更为严重。

近期，有研究人员提出了一种基于叉指电极（IDE）的高效微滴合并器，该设备通过自动同步通道和合并通道的设计，克服了传统微滴合并技术中存在的微滴不同步、过度合并和电压要求高等问题，实现了超过95%的合并效率，适用于高通量化学和生物检测。相关研究以“High-Efficiency Interdigitated Electrode-Based Droplet Merger for Enabling Error-Free Droplet Microfluidic Systems”为题目，发表在期刊《Analytical Chemistry》上。

本文要点：

1、本文开发了一种基于叉指电极（IDE）的微滴合并器，结合了自动同步通道和合并通道，能够在20%的微滴尺寸多分散性下实现超过95%的合并效率。

2、该设备在仅4.5 V的低电压下，通过IDE产生的局部电场实现微滴合并，避免了传统方法中高电压带来的问题。

3、对设备的设计和操作参数进行了系统评估，包括叉指电极尺寸、介电涂层厚度、微滴尺寸和流速等，确保了合并效率的优化。

4、优化后的设备在高通量（100个微滴/秒）下连续运行100小时，表现出稳定的合并效率。

5、该技术已成功应用于测试噬菌体对细菌宿主细胞的裂解活性，显示出100%的合并效率，预示着其在高通量化学和生物检测中的广泛应用潜力。

传统微滴合并技术面临的主要挑战包括：

1、微滴不同步：在合并过程中，微滴的不同步会导致过度合并或错误合并，影响实验结果的准确性。

2、多分散性：当待合并的微滴存在20%的尺寸多分散性时，合并效率显著降低，尤其在需要长时间孵育或高温处理的实验中更为明显。

3、电压要求高：传统的三维电极（3D电极）合并方法通常需要较高的操作电压（200-1000 V），这不仅增加了设备的复杂性，还可能影响到微流控系统的其他区域，造成意外合并。

4、合并效率低：基于平面电极的合并方法虽然电压较低（5-20 V），但其合并效率通常低于90%，且通量受到限制。

这些挑战限制了传统微滴合并技术在高通量化学和生物检测中的应用。

基于IDE（叉指电极）的液滴合并器如何实现高合并效率？

1、自动同步通道：该合并器设计了一个自动同步通道，能够有效地将微滴配对，确保待合并的微滴在合适的距离内，以最大化合并机会。

2、电场高度局部化：IDE结构产生的电场高度局部化，这种局部化的电场确保了微滴合并仅发生在IDE区域内，避免了在其他区域的意外合并。

3、低电压操作：该合并器在仅4.5 V的低电压下运行，显著低于传统三维电极合并器所需的电压（200-1000 V）。低电压不仅降低了设备的能耗，还减少了对微流控系统其他区域的影响。

4、增强的电介质电泳力：IDE产生的局部电场能够增强介电泳力，有效推动微滴靠近并合并。这种力的增强使得即使微滴之间存在小间距时也能实现合并。

5、重复扩展-收缩通道设计：该合并器中还集成了重复扩展-收缩的微通道设计，进一步提高了微滴配对和同步的效率，尤其是在微滴尺寸存在多分散性时。

6、高通量性能：该设备在高达100个微滴每秒的速度下连续运行100小时，表现出稳定的合并效率，证明了其在高通量化学和生物检测中的应用潜力。

通过这些设计和操作机制，基于IDE的微滴合并器能够实现超过95%的合并效率，克服了传统微滴合并技术中的许多挑战。

图1.IDE液滴合并器与传统液滴合并器的比较。

图2.与之前发表的传统液滴合并器相比，IDE合并器在实现配对滴液之间紧密距离后成功合并滴液的性能。

图3.展示了组装好的八个IDE器件阵列，图3A为在硼硅酸盐玻璃基板上的八个IDE图案，图3B为从该基板上切割下来的单个器件。

图4.设备性能的表征。

图5.使用开发的低误差液滴合并方法对目标细菌细胞进行模拟噬菌体筛选。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02376