《Journal of Materials Chemistry C》

报道我院在液晶各向异性微流体研究方面的新进展

近日，我院郑致刚教授团队在液晶各向异性微流体流量传感研究方面取得了阶段性新进展，相关研究成果以“Anisotropic microfluidics and flow monitoring with a microchannel towards soft-matter sensing”为题发表在《Journal of Materials Chemistry C》。

微流体技术是一门利用特殊结构的微通道来研究或操控微量流体的技术。在生物学、化学、物理学等学科中衍生出了广泛的应用。微流体的流量监测在微流体动力学、分析化学、生物分析芯片、光流控系统等领域都有重要的意义。对于各向同性流体而言，其本身并不具备感知流量的能力，往往需要外界干预才能获得流动信息。迄今为止，如何在不受任何干扰的情况下获得准确的流量仍然是一个挑战。而对于各向异性流体而言，由于其独特的分子排列方式，现有的微流体流量传感器大多都不适用。

图1. 液晶微流体芯片结构与工作原理

为了解决上述问题, 郑教授带领的研究团队基于液晶的光学各向异性，开发了一种无介入光学方法，可以实现准确地感知微流控系统中的流量。该工作首次提出了液晶干涉色演化的时间依赖性，通过准确检测不同时刻的光谱来识别和量化干涉色演化的速度（如图1）。证明了光谱红移速度与流速之间存在良好的线性关系，并建立了一种非侵入性的流量传感方法。灵敏度高和响应时间短等优势允许该传感器对流量进行实时、高精度的动态监测。结果表明，流量监测范围取决于微通道横截面尺度，当横截面为60 μm×10 μm时，测量范围从150 nl/min到6500 nl/min。通过调整通道规模，可以有效扩大测量范围，进一步提高传感性能。该工作通过分析液晶微通道的干涉色演化及相应的透射光谱，总结出了光谱的红移速度与流量之间的线性关系，为流量传感提供实验支持。

此外，该工作中还提出了一种将传感器应用于各类流体中的新思路。将微流控操作系统与流量传感系统划分为不同的物理单元，通过传感器与操作系统的模块化集成，可以间接获取各向同性流体的流动信息，并将其作为一种“即插即用”的流量传感单元。该工作使用简单的光学方法解决了经典流量传感方法中的局限性。使用流体自身作为流量监测的探针，不受如示踪颗粒、荧光染料、复杂的通道结构和外部场的影响，且辅助设备相对轻便，能够充分实现便携式实时流量监测，为各向异性微流体的研究开辟了新的思路，同时促进了液晶光子器件、液晶激光等新兴领域的发展。

该研究工作主要是由硕士生赵思纯在郑致刚教授的指导下完成。得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、上海市教委科技创新重大项目，及“曙光计划”等项目的支持。

原文信息：https://doi.org/ 10.1039/d2tc02032g