成果展示丨《Microsystems & Nanoengineering》光镊分选芯片实现液滴“按需生成”的原理解密

2025年5月，由格拉斯哥大学Huabing Yin教授团队与中科院长春光机所李备研究团队合作完成的《On-demand droplet formation at a T-junction: modelling and validation》研究论文在《Microsystems & Nanoengineering》上发表。该研究揭示了T型交汇处液滴“按需生成”的流体动力学机制，并建立了可精准预测液滴生成阈值的物理模型。这一成果为Scatcher光镊分选仪配合分选芯片的液滴控制原理提供了理论验证，也为实现单细胞级液滴生成与操纵奠定了基础。

液滴微流控技术通过将样品封装在微米级液滴中，为单细胞分析、高通量筛选等提供了理想平台。目前，液滴生成主要依赖被动方法（如流动聚焦或T型交汇结构）或主动外力控制（如电、磁、声场等）。然而，被动方法无法精确控制液滴生成时序与内容，而主动方法虽控制性强，却因设备复杂、成本高昂难以普及。

T型交汇结构作为常用液滴生成方式，通常通过调节两相流率控制液滴尺寸，但由于流体阻力与系统压缩性，上游流率变化无法实时反映至交汇处，难以实现“按需启停”。此外，现有按需液滴生成方法多依赖预设压力阈值，需反复试错，且易受界面性质变化影响，稳定性不足。因此，开发一种简单、可靠且具备高时序控制精度的液滴按需生成方法具有重要意义。

该研究创新性地将油相引入T型交汇处的侧通道，通过调控油相与水相压力，实现液滴的“切割式”生成（图1a）。该设计利用压力变化在系统中近乎瞬时传播的特性，赋予液滴生成极高的时序控制能力。结合Laplace-Young毛细管压力方程建立了描述液滴生成关键阶段的物理模型，并通过设备几何参数（通道宽度、高度）、界面张力与接触角等，预测了不同条件下的临界压力值。实验系统采用Fluigent压力泵精确控制入口压力，并通过CCD相机实时监测液滴生成过程（图1c）。通过系统调整油水压力组合，验证了模型在多种设备结构与界面条件下的适用性。

图1 微流体T形结处的压力驱动液滴形成

3.1 液滴生成的压力调控与工作区间

在T型交汇处液滴的形成取决于油相与水相的压力平衡，研究团队绘制了油相与水相压力组合的相图（图2），可清晰看到液滴形成的区域被两条临界线夹在中间，构成一个“稳定窗口”。通过简单调节两相压力，即可在“液滴生成（on）”与“停止生成（off）”之间灵活切换。这一结果意味着液滴生成可实现真正意义上的“开关式”的按需控制。

图2 不同油相和水相压力下的液滴生成

3.2 液滴生成的物理模型：预测“临界压力”

为深入理解液滴生成的本质，研究团队基于实验观察建立了一个简化物理模型。该模型以Laplace–Young方程为基础，从液滴在交汇处的界面形变入手，推导了液滴形成的临界压力。实验结果与模型计算高度吻合（图3），说明该模型能够准确预测不同几何参数下液滴生成的条件。相比传统的数值仿真，这种解析模型更简单、计算更快，可直接指导芯片设计与实验调参。

图3 实验观测与模型结果的阈值对比

3.3 液滴体积调控与尺寸预测

液滴体积是微流控实验中的关键参数，直接影响反应空间与混合效率。研究表明，液滴体积与油相压力呈负相关关系：当油压升高时，液滴被更快“切断”，体积减小；反之则液滴体积增大（图4b）。本研究提出了一个经验公式，将液滴体积与压力差、通道阻力以及几何参数联系起来。利用这一关系，可以在设计阶段预测液滴大小，实现“可编程”液滴生成。实验数据与模型计算的拟合度极高，说明模型不仅能预测液滴形成阈值，也能定量描述液滴体积的变化趋势。

图4 不同设备的模型评估

3.4 通道几何与表面张力的影响

通道尺寸与表面张力是影响液滴生成的重要因素。研究团队对比了两种不同结构的T型交汇装置：装置(i)：出口通道宽度与水相通道相同；装置(ii)：出口通道更宽。结果发现，在装置(ii)中液滴更易生成，且可控范围更宽（图4a）。这意味着通过适当放宽出口尺寸，可显著提升液滴生成的稳定性与灵活度。此外，研究还考察了表面活性剂对液滴形成的影响。当在油相中加入2 wt.% Span 80后，水-油界面张力明显下降，使液滴生成区间进一步扩大（图5）。这表明降低界面张力有助于液滴形成，并能在更广的压力范围内实现稳

定操作。

图5 以矿物油为油相（加入 2 wt.% Span 80 作为表面活性剂）时液滴生成的压力分布图

3.5 模型验证：实现真正的“按需液滴”生成

在模型预测的压力范围内，研究团队通过快速切换油相压力，实现了单个液滴的“按需生成”控制（图6）。系统能够在数秒内完成一次液滴生成与释放，且每个液滴的尺寸、间隔时间几乎一致。这说明通过简单的压力控制系统即可完成液滴的时序化精确生成，不再依赖复杂的电场、声场或光场等。该方法响应快、结构简洁，特别适用于各种微流控操作（如细胞包裹、药物反应、信号检测等）。这不仅提升了微流控系统的自动化与可重复性，也为未来构建智能化液滴操控平台提供了理论与技术基础。

图6 按预设约5?s时间间隔实现液滴按需生成的代表性图像序列

本研究开发了一种简单、高效的T型交汇处按需液滴生成方法，通过将油相置于侧通道并结合压力调控，实现了单个液滴的精准时序控制。所建立的物理模型能够准确预测液滴生成的压力阈值，为微流控设备设计与自动化控制提供了重要指导。

该研究不仅揭示了液滴生成的物理规律，也为DropFlex微液滴光镊分选芯片的结构优化与性能验证提供了实验依据。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41378-025-00950-2

基于该研究原理，DropFlex微液滴光镊分选芯片采用双路液流（油/水）结构设计，可在重力驱动下于油水界面实现液滴“按需生成”，灵活切换分选“开/关”。配合Scatcher单细胞显微光镊操纵与分选仪，可精确控制液滴中细胞数量，为高通量液滴分配、单细胞操控、单克隆培养、细胞互作分析、药物作用研究等提供提供一体化解决方案。

Scatcher单细胞显微光镊操纵与分选仪

DropFlex微液滴光镊分选芯片

尹华兵教授

格拉斯哥大学教授，国际公认的单细胞技术、微流控和集成生物传感器科学家。研究重点是开发先进的装置和方法来研究生命和环境科学中的微观现象，擅长将微流控平台与先进的成像和光谱技术结合起来进行单细胞分析，包括拉曼光谱和原子力显微镜等，其研究具有高度跨学科特点。她主持了多项RCUK、慈善机构及工业资助项目，在国际知名期刊发表同行评审论文90余篇。

X-Lab介绍

X-Lab是中国科学院长春光机所李备研究员带领的科研创新实验室，与牛津大学、格拉斯哥大学、卡迪夫大学等国际顶尖光学及微流控等领域科学家合作，专注于细胞操纵、拉曼光谱、共聚焦成像、微流控和人工智能五大核心领域。实验室目前拥有近20位硕博士科研团队，发表SCI论文20余篇，承担国家及省部级研发项目10余项，展现出强大的研发和创新能力。X-Lab作为的前沿技术探索与储备力量，将持续推出创新科研成果。