鈮酸鋰基光伏微流體操控技術

張 雄,高作軒,高開放,師麗紅,李菲菲,樊博麟,陳立品,昝知韜,陳洪建,閻文博

(1.河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300130；2.天津城建大學理學院，天津 300384)

0 引 言

生物光子芯片集生物培養、輸運及檢測功能于一體，可快速、高效地實現對單細胞的操控、分類和檢測分析。鈮酸鋰材料特有的生物細胞調控作用[1]以及鈮酸鋰基表面聲波和光波導技術[2]在光電集成以及微流控領域的發展前景，使基于鈮酸鋰的生物光子芯片設計和制備成為未來光子學發展的一個新方向[2-3]。

近年來，基于鈮酸鋰的光伏操控技術逐漸引起人們的關注[4-5]，并有望成為鈮酸鋰基生物光子芯片[6]微流體操控功能的關鍵支撐技術。該光伏微流體操控技術通常使用具有顯著光生伏特效應的過渡金屬(鐵、銅等)摻雜[6]的鈮酸鋰晶體作為襯底，利用鈮酸鋰表面空間調控的非均勻光伏空間電荷場對流體目標的靜電作用來實現非接觸操控。相比于傳統微流控芯片中全電數字化的生物流體操控技術[7]，鈮酸鋰基光伏操控既不需要外部電源供電也不需要復雜電極的制備，因此可以最大程度地避免外界通過供電通路和電極帶來的對內部生物環境的污染和干擾。

與傳統的光鑷操控相比，鈮酸鋰基光伏微流體操控具有以下技術優勢：(1)本質上是一種空間靜電作用，其作用力可達μN量級(遠高于傳統光鑷pN級別的作用力)，能夠輕松克服微流體運動所涉及的表面張力、界面黏附力和流體粘滯力等阻力從而實現對微流體的高效操控；(2)光伏電荷場具有一定的作用范圍，可對該范圍內微流體進行整體操控，并實現操控范圍的光參量調控；(3)該光生電荷場屬于弱光非線性光學效應，毫瓦級的低功率激光便可引起可觀的電場用于微流體目標操控；(4)該光生電荷場可以被調控為一種非局域光響應，因此可用于光敏流體目標的非局域操控。本文將結合國內外以及本組的一些工作，就鈮酸鋰基光伏微流體操控的理論基礎和研究進展進行闡述。

1 鈮酸鋰基光伏微流體操控的理論基礎

1.1 鈮酸鋰晶體的光伏效應

鈮酸鋰的光伏效應是一種反常光生伏特效應，不同于PN結在光照下的光伏效應，其是一種基于體材料的效應。通常名義純鈮酸鋰晶體的光伏效應較弱，但在摻入鐵、銅等過渡金屬離子后，可以在可見光范圍內呈現強烈的光伏效應。在光照下，鈮酸鋰Fe2+/3+中的電子被激發至導帶，由于Fe2+/3+陷阱勢壘的非對稱性，電子微觀上沿著晶體+c軸方向移動的概率較大，形成沿晶體-c軸的宏觀電流，即光伏電流。光伏機制是常溫下摻鐵鈮酸鋰晶體中載流子遷移的主要方式。

摻鐵鈮酸鋰晶片的c軸方向和光照方向的相對關系決定了光激載流子的積累方式，進而決定了鈮酸鋰光伏電場的構型。不同切割取向的晶體在激光輻照下電荷積聚及光伏電場的構成模式如圖1所示[8]。在光照下，c切鈮酸鋰的電荷積聚在晶片的上下表面，因此光伏電場主要垂直于晶片表面；y切鈮酸鋰的電荷積聚在光照的兩側，光伏電場主要平行于晶片表面。晶體表面的非均勻光伏靜電場可用于微流體的操控。

圖1 (a)激光束照明，(b)和(c)分別為c切和y切摻鐵鈮酸鋰晶體光伏電場構型[8]

1.2 微流體的靜電作用機制

1.2.1 介電泳作用

1958年Pohl等[9]發現中性物質在非勻強電場中由于極化作用會受到力的作用而產生運動，并將該作用力稱為介電泳力。通過介電泳力可以實現介電液體或顆粒的輸送、選擇性沉降以及混合等操作。當介電顆粒懸浮在空間電場中時，顆粒表面會產生極化電荷，形成電偶極子。偶極子與電場之間的相互作用可以產生影響粒子運動的力。電場為勻強電場時，微顆粒受到的合力為零。電場為非勻強電場時，微顆粒受到的合力不再為零，顆粒會發生沿合力方向的運動[10]。理想的球形微顆粒在非勻強電場中受到的介電泳力為：

(1)

式中：Г為微顆粒的幾何因子，球形結構的微顆粒Г=4πr3(r為顆粒半徑)；εm為周圍介質的相對介電常數；ε0為真空介電常數；E為電場強度；α(ω)為Clausius-Mossotti系數。當電場為靜電場時，α(ω)可簡化為[11]：

(2)

式中：σp為微顆粒的電導率；σm為周圍介質的電導率。結合公式(1)和公式(2)可知，當σp大于σm時，微顆粒受到的作用力表現為吸引力；當σp小于σm時，微顆粒受到的作用力表現為排斥力。

由于流體不能作為剛性顆粒處理，因此在分析微液滴受力時公式(1)不再適用。可將液滴看成體積無限小的偶極子的聚合體[12]，微液滴所受到的介電泳力Fdroplet為該液滴中所有偶極子的卡爾文極化力密度的積分[13]，即：

(3)

式中：ε0為真空介電常數；εl為液滴的相對介電常數；εm為周圍介質的相對介電常數；E為電場強度；V為電勢。液滴的受力方向同樣由εl和εm的相對大小決定。

1.2.2 電潤濕作用

電潤濕效應是操控表面微量液體最廣泛使用的機制之一,是液體在電場的作用下潤濕性發生改變的現象[14]。Berge在20世紀90年代初發展了電潤濕效應，提出用一層薄絕緣層將導電液體與金屬電極分隔開的想法，以消除電解問題，這個概念被稱為介電潤濕(electrowetting on dielectric， EWOD)。

物體表面的潤濕特性通常由接觸角θ來定義，接觸角在固體-氣體、固體-液體和液體-氣體界面的表面自由能(γSG，γSL和γLG)最低時達到穩定，接觸角θ同表面自由能間的關系可以通過Young方程來描述：

(4)

式中:γSG、γSL和γLG分別為固體-氣體、固體-液體和液體-氣體界面的表面自由能。

液滴在固體表面接觸角的平衡行為可以通過公式(4)來描述，但這種關系僅適用于理想(原子級光滑和化學異質)的固體表面。大多數表面在化學上通常是粗糙且不均勻的，因此液滴的接觸角θ會存在于兩個極端角度(前進角和后退角)之間，這種現象稱為接觸角的滯后[15]，會影響液滴在固體表面上移動的能力。研究發現可以通過改變固體表面的化學性質[16]或表面形態[17]來改變其潤濕特性，但是通過這些方法對表面進行的改性通常是永久的。與永久表面改性的方法相比，EWOD方式利用電場來精準控制表面潤濕特性，因此更具優勢。通過與圖案化電極相結合，EWOD可以在固體表面上控制液滴，并且不會改變任何液體或固體的化學成分。同時，在電極與被操控液體之間配置絕緣疏水層，可以增大接觸角的變化量，減小接觸角滯后效應，增強接觸角變化的可逆性，從而提高電潤濕裝置的性能。

利用電潤濕效應操控液滴的原理如圖2所示。閉合電路后，外部電路會對EWOD裝置“充電”，電荷會在固-液界面處積累，界面處的自由能增加，微液滴的表面張力發生改變，導致液體的接觸角變化。

圖2 介電潤濕效應原理圖

在EWOD裝置中，外加電壓與接觸角的變化可通過Young-Lippmann方程來描述：

(5)

式中：θ0為加電壓前液體的接觸角；θ為加電壓后液體的接觸角；ε0為真空介電常數；εr為絕緣層的相對介電常數；V為外加電壓；d為絕緣層厚度；γLG液體-氣體界面的表面自由能。

1.2.3 電滲作用

電滲是指在外加電場作用下，液體相對于靜止不動的帶電表面發生運動的現象。電滲的原理如圖3所示，當液體與固體表面接觸時，固體表面會產生電荷。這些表面電荷會影響液體中電荷的分布，從而在固-液界面附近形成雙電層(液體內部的電荷分布劃分為緊密層和擴散層)。沿著固-液界面的方向施加電場時，液體內部擴散層中的電荷在電場作用下開始定向移動，由于液體具有一定粘性，電荷會拖動周圍液體運動，從而形成電滲流(electroosmotic flow， EOF)[18]。

圖3 電滲流的原理圖[18]

2 基于鈮酸鋰的光伏微流體操控研究進展

2.1 鈮酸鋰基流體媒介中的微納顆粒光伏操控

鈮酸鋰基光伏操控技術最早源于對固態微顆粒的并行操控需要。南開大學的張心正等最先在國內開展微顆粒的光伏操控研究，其小組在鈮酸鋰表面利用結構光場(干涉條紋)實現了金屬顆粒的微米級周期分布[19]。國際上，德國的研究人員最早開展類似研究，他們運用低光強的結構光輻照在鈮酸鋰表面成功實現了微顆粒圖案化排布[20-22]。西班牙的馬德里團隊則兼顧該方向的實驗探索與理論模型建立，嘗試以光折變帶輸運理論為基礎發展鈮酸鋰表面的介電作用模型，以預測微顆粒在不同結構光輻照下的分布規律[1,4,23-27]。

2009年，南開大學的張心正等[19]利用光伏空間電荷場操控流體媒介中的中性銀納米顆粒時，觀察到顆粒分布圖案隨時間的轉變過程，如圖4所示。他們指出，初始銀納米顆粒為中性，因而分布圖案取決于介電泳作用(正比于電場模平方的梯度，參見公式(1))的空間分布；然而隨著時間的流逝，晶體表面被捕獲的銀納米顆粒呈現出正電性，因而其分布逐漸由電場主導并出現相應的轉變。需要強調的是，該工作首次報道了中性銀納米顆粒在鈮酸鋰表面的帶電過程，并觀察到了金屬顆粒在光伏電場下的排斥行為。

圖4 被捕獲的銀顆粒帶隨時間的變化，光照周期為600 μm，插圖之間的時間間隔為30 s[19]

Esseling等[21]于2010年開展了鈮酸鋰基流體媒介中的微納顆粒二維捕獲研究。他們發現y切鈮酸鋰對流體媒介中懸浮石墨顆粒的捕獲分布圖案出現了顯著的非局域效應。由于y切鈮酸鋰晶體的c軸平行于晶體表面，光激載流子沿著晶體c軸運動，并在光照邊緣積累，因而電荷分布與光強分布不一致，即非局域效應。隨后，他們又在c切鈮酸鋰晶體上對帶電顆粒進行了捕獲實驗[22]，操控結果如圖5所示。由于c切鈮酸鋰晶體的c軸垂直于晶體表面，光激載流子會在晶體光照區域的上下表面聚集，其電荷分布同光強分布基本相同，因此得到了質量較好的微顆粒捕獲圖案。

圖5 在c切鈮酸鋰晶體表面獲得的二維帶電顆粒捕獲圖案[22]

Carrascosa等從理論與實驗兩方面出發在鈮酸鋰基微操控芯片上展開了對微納顆粒的一維與二維捕獲的研究[4,23-24,28-29]。2014年，他們提出了一種可以對任意光場下的顆粒捕獲效果進行分析的理論方法。首先假設顆粒在芯片的勢能最低處會被捕獲，然后通過模擬計算出晶體內部的空間電荷場，最后算得其介電泳電勢，從而完成對顆粒捕獲的理論分析，并且他們通過實驗證實了此方法的正確性[23]。2015年，他們在c切鈮酸鋰晶體上首次實現對微米級CaCO3顆粒與納米級Al顆粒的二維捕獲，并且對y切鈮酸鋰晶體與c切鈮酸鋰晶體的捕獲效果做了對比[28]。之后，他們使用衍射光斑照射鈮酸鋰晶體，通過上述顆粒操控技術在鈮酸鋰晶體上成功制備了金屬光柵[29]，在c切鈮酸鋰晶體上完成了對花粉的一維與二維捕獲，并發現其捕獲效果與無機顆粒的捕獲效果相近[4]，如圖6所示。

圖6 一維和二維花粉碎片捕獲圖案[4]

2017年Sperling等[30]利用鈮酸鋰基微顆粒的光伏操控技術演示了物理上可重構的電路。他們利用介電泳作用實時捕獲、移動和連接單個微焊錫珠，并將表面組件之間連接到一起。圖7中展示了一種可重構的三向開關，三個發光器件分別與鈮酸鋰上的電極相連，通過移動焊錫珠依次接通從左到右的電路，實現了三個發光器件的依次點亮。

圖7 可重構三向開關的演示[30]

至此，微顆粒操控實驗都采用了“順序法”的兩步過程。首先，通過光場誘導鈮酸鋰產生光伏電場；然后，移除光照并令微顆粒接近鈮酸鋰表面從而在光伏電場的作用下被捕獲。2019年，Zan等開展了聚焦高斯光場下鈮酸鋰基流體媒介中PS(聚苯乙烯)微球的實時光伏操控研究[31]，提出了一種實時操控方案：將鈮酸鋰放在微顆粒懸浮液中，光照的同時進行微顆粒的捕獲，此時光伏電場的激發與微顆粒的捕獲是同時進行的。此外，由于該操控方案光場施加和觀察采用同一光路，因此可用于研究微顆粒在光伏操控下的實時動態響應行為。圖8展示了c切和y切鈮酸鋰表面PS微球被聚焦光伏光場捕獲的動態過程，其清晰地顯示了c切和y切鈮酸鋰的捕獲特征(局域和非局域)以及不同的捕獲效率。同年，Carrascosa等[27]利用該實時方案對鈮酸鋰基微顆粒的光伏操控方式進行了創新。他們發現聚焦操控光場對納米銀顆粒具有很強的排斥作用，并利用該排斥作用實現了顆粒分布圖案的擦除和重構。此外，他們進一步驗證張心正等在2009年提出的觀點，即在持續光照下，鈮酸鋰表面的累積電荷會令金屬顆粒帶電，并使其在電泳力作用下逐漸遠離光照區域。圖9為通過控制光照開關來控制微顆粒吸引與排開的現象圖。

圖8 PS微球被聚焦高斯光場捕獲的動態過程 (a)～(f)c切LN∶Fe；(g)～(l)y切LN∶Fe[31]

圖9 通過控制光照開關在鈮酸鋰表面獲得的顆粒圖案[27]

2.2 基于鈮酸鋰的光伏微流體操控

鈮酸鋰表面產生的光伏靜電場不但可以用于操控流體媒介中的微納顆粒，也可以通過介電泳、電潤濕及電滲效應對表面的兩相或多相微流體進行操控。針對微流體的光伏操控研究最早始于德國明斯特大學。2015年，他們通過單層鈮酸鋰晶體襯底上的結構光預輻照寫入空間電荷場實現了對介電微流體的排斥和吸引等作用。但其系統本質上是一個被動的路由裝置，而微流體的驅動需借助外部泵浦單元輔助完成[32]。自2016年以來，本課題組開展基于聚焦光伏效應的微流體主動實時操控的研究，分別以介電液滴[8,33-34]、水合液滴[35-39]等微流體作為對象，研究了其在各類改性摻鐵鈮酸鋰襯底上以及非對稱鈮酸鋰夾層結構中的主動光伏操控行為和物理機制。西班牙馬德里小組于2019年開始致力于微液滴的聚焦光伏實時操控研究，他們主要關注介電液體媒介中水合液滴的產生[40]，以及液/氣界面上水合微液滴的操控[41]。

2.2.1 基于鈮酸鋰的介電液滴操控

2015年，Esseling等[32]報道了一種光誘導微液滴路由器，通過鈮酸鋰的表面光伏靜電場產生的介電泳作用力對外部泵浦單元驅動的介電氣泡或液滴進行路由操作。不同的微流體性質可產生不同效果的介電泳力，形成虛擬屏障(排斥力)，或者產生虛擬軌道(吸引力)。圖10為光誘導微液滴路由器分別對氣泡(受到排斥力)和液滴(受到吸引力)的路由操作圖。

圖10 光誘導液滴路由器中微氣泡和微液滴的運動 (a)和(b)中微氣泡受到排斥力向左側出口運動；(c)和(d)中微液滴受到吸引力向右側運動[32]

2016年，陳立品等[34]研究了介電液滴在c切鈮酸鋰基夾層結構中的聚焦光伏操控行為。在表面光伏靜電場引起的介電泳力的作用下，介電液滴能夠以液橋的形式產生于夾層結構中。他們發現微液滴可以通過離散點輻照方式進行步進移動、變形或圖案化，或通過連續線輻照方式進行預掃描路線伸展或引導。圖11為通過不連續的點輻照操控微液滴的過程圖。

圖11 介電微液滴操控的動態過程 (a)在微液滴周圍依次進行三次離散點輻照，微液滴被三個輻照點依次吸引，逐步移動;(b)四次近距離點輻照下微液滴的操控;(c)通過點輻照方案繪制復雜的微液滴圖案[34]

同年，陳立品等[33]還利用熱釋電和光折變效應的協同作用在鈮酸鋰基夾層結構中實現了介電液滴的光輔助分離。他們認為在該分離過程中，光折變效應和熱釋電效應的協同作用導致鈮酸鋰襯底產生了特定的電荷分布，從而實現了微液滴的主動分離。光輔助介電液滴分離包括兩個獨立的過程：通過介電泳力固定被輻照的部分液體，以及通過傾斜的介電泳力排斥周圍的液體。圖12(a)展示了沒有升降溫處理時(無預極化)，介電液滴的捕獲；圖12(b)展示了有升降溫處理時(有預極化)，介電液滴的分離。

圖12 (a)液滴無預極化的光輔助液滴捕獲；(b)液滴有預極化的光輔助液滴分離[33]

2019年，李菲菲等[8]在y切摻鐵鈮酸鋰襯底組成的夾層結構中實現了介電微液滴的全光分裂。該操作由于使用反對稱的y切鈮酸鋰夾層結構芯片中的雙極靜電場，因此整個過程無需對晶片及液滴進行任何預處理，此外介電液滴分離所需時間可由光照強度調控，同時待分離的液滴尺寸也具有很寬的范圍，該操控技術對于未來鈮酸鋰基的微流控芯片設計和制備非常重要。另外，該工作通過對微液滴分離的動力學過程和夾層間隙內部的靜電參量進行模擬分析，提出兩個反對稱鈮酸鋰基底的組合能夠提供更強的介電泳力并減少拖曳力的不平衡，從而實現穩定、高效微液滴的分離。圖13(b)為反對稱鈮酸鋰夾層結構中介電液滴分離的過程，在聚焦激光的輻照下，微液滴開始逐漸變形，由最初的圓形變為啞鈴狀，最后分為兩個大小相近的子液滴。對比圖13(a)中單個鈮酸鋰夾層結構中液滴的分離過程，可以看出使用反對稱襯底構型的必要性。

圖13 介電液滴光伏分離的動態過程 (a)單個鈮酸鋰夾層結構；(b)反對稱鈮酸鋰夾層結構[8]

2.2.2 基于鈮酸鋰的水合液滴操控

由于大多數生物細胞必須生存在水合環境內，因而鈮酸鋰基水合微流體的聚焦光伏操控功能是非常重要的。傳統的光伏操控一般基于非均勻電場下的介電泳機制。然而，由于水合液滴極性和導電性都較強，因而在空間電場的作用下通常會產生大量電荷，會大幅屏蔽空間電荷場的作用，令基于介電泳機制的光伏操控失效。因此，國內外一直沒有關于鈮酸鋰基水合微流體的聚焦光伏操控報道，關鍵技術一直有待實質性突破。

2017年，樊博麟等[35]在涂有疏水膜的鈮酸鋰襯底上實現了對水合液滴的聚焦光伏操控。他們提出將鈮酸鋰表面修飾為疏水狀態，引入介質層通過電潤濕機制操控水合液滴的方式，強調涂覆在襯底表面薄膜的疏水性和介電性能是實現水合液滴驅動的關鍵。圖14為實驗中使用的芯片襯底結構以及對應的水合液滴光伏操控的過程。在疏水鈮酸鋰襯底(Type 1)上，水合液滴可以連續地輸送到二維平面的任意位置。然而，在裸露的鈮酸鋰襯底(Type 2)上，水合液滴無法被操控。在Type 3的襯底上，由于導電層(ITO)的存在，光伏電荷無法累積,因而水合液滴也無法被操控。這說明水合液滴的操控源于鈮酸鋰表面光伏電荷累積。該工作突破了傳統借助介電泳力實現鈮酸鋰基光伏操控的思路，擴展出了利用表面潤濕進行鈮酸鋰基光伏操控的新途徑。

圖14 水合液滴的動態操控過程及對應的襯底結構 (a)由特氟龍及鈮酸鋰構成(Type 1)；(b)僅由鈮酸鋰構成(Type 2)；(c)由特氟龍、ITO及鈮酸鋰構成(Type 3)；(d)水合液滴在Type 1芯片上的動態輸運圖；(e,f)Type 2和Type 3芯片上的水合液滴驅動的對比實驗，在這兩類芯片上水合液滴無法被穩定驅動。綠色箭頭表示傳輸方向，紫色點表示激光光斑位置，紅色三角形表示不可移動的參考點[35]

2019年，Gao等[36]在鈮酸鋰襯底上實現了水合氣流的可見光輔助冷凝。通過分析不同光照強度下可見光輔助水凝結的動力學過程，如圖15所示，發現水的凝結程度，液流的彎曲角度和凝結的作用范圍與輻照強度高度相關。根據不同光照強度下水合氣流的模擬軌跡和實驗結果的對比分析，他們認為這種可見光輔助的水凝結是由非均勻光伏電場中介電泳力驅動微小水滴聚集的過程。上述研究展示了鈮酸鋰表面的光伏靜電場對近表面的水合氣流的實時操控能力，并首次提出了鈮酸鋰表面光伏電荷的電屏蔽機制。

圖15 不同光照強度下水合液滴的軌跡[36]

2020年，Zhang等[37]通過在y切鈮酸鋰表面涂覆油浸多孔疏水薄膜，實現了水合液滴的光伏分離，如圖16 所示。水合液滴分離過程中接觸角與時間的依賴關系符合光伏電場建立的指數變化規律，證明了介電潤濕效應對液滴分離的貢獻。激光輻照分離子液滴邊緣可觸發子液滴對雙極電勢分布的響應，表明兩個子液滴的異號電性，證明了電滲效應對液滴分離的貢獻。水合液滴分離過程的兩相流模擬結果進一步揭示介電潤濕和電滲效應在液滴分離過程中的協同作用。

圖16 (a)分離過程中水合微液滴接觸角的時間演變；(b)接觸角測量方案；(c)y切鈮酸鋰襯底中偶極光伏電荷分布；(d)～(k)水合微液滴分離過程的典型幀[37]

2020年，西班牙Puerto等[41]對非極性液體界面上的水合液滴的聚焦光伏操控進行了研究，如圖17所示。他們通過鈮酸鋰表面的光伏靜電場產生介電泳力來操控懸掛在空氣-油界面上水合液滴，實現了水合液滴的引導、捕獲、融合和分裂等操控動作，并驗證了該技術對各種生物液滴(DNA、磷酸鹽緩沖液)的有效性。該操控技術需要借助水合液滴與非極性介質間的界面張力，其要求操控過程保證水合液滴不與襯底接觸。一旦水合液滴被捕獲至襯底表面，其中的自由電荷將會迅速屏蔽鈮酸鋰表面光伏電荷，即形成水合液滴的永久捕獲。

圖17 鈮酸鋰襯底上進行水合液滴的操控 (a)～(d)引導;(e)～(h)捕獲[41]

圖18 鈮酸鋰襯底上產生的小液滴 (a)y切鈮酸鋰；(b)c切鈮酸鋰[40]

2021年，Gao等[38]利用摻鐵鈮酸鋰晶體的表面光伏靜電場產生的介電泳力，實現了對油浸疏水性襯底上的水合微液滴的遠程操縱。實驗結果表明，這種方式可令微液滴的遠程操縱距離延展到亞厘米水平。通過縮短操縱距離或增加光照強度，可以增強光伏靜電相互作用，增加被操縱液滴的速度。此外，在強烈的靜電光伏相互作用下，他們觀察到液滴的形狀突變和快速排斥運動，認為其是靜電相互作用從介電泳機制瞬間轉變為電泳機制的結果。圖19展示了液滴操控過程中力平衡的不同狀態。

圖19 靜態模式捕獲和操控過程中力平衡的不同狀態[38]

2021年，張雄等[39]在c切鈮酸鋰上實現了水合液滴的高效光伏往復運動，如圖20所示。水合液滴往復運動的啟停與激光輻照的開關同步。通過追蹤液滴的瞬時速度，發現水合液滴往復運動的過程分為形變、脫離、回彈和歸位四個階段。基于上述特點構建了液滴往復運動模型，提出水合液滴的光伏往復運動本質上是光伏電荷從高電勢向低電勢的自然轉移過程。利用該模型很好地預測了水合液滴循環周期對液滴半徑和激光輻照功率的依賴性，得到了循環周期T與組合參數R1.5P-1的線性相關關系。借助水合液滴的這種往復運動模式實現了水合液滴以自動可重復的方式從金屬表面獲取溶質的操作。

圖20 (a)導電金屬表面附近的水合微液滴往復運動示意圖;(b)利用該光伏往復操控技術實現水合微液滴對熒光染料(包覆于金屬表面)的可控微量重復獲取[39]

3 結語與展望

從上述進展可以看出，鈮酸鋰基光伏微流體操控技術具有實時性強與靈活度高等優點。該技術未來的研究方向主要有三個：(1)進一步提高微流體操控的分辨率。目前可有效操控的微流體尺寸一般在50 μm以上，如何操控微米級尺寸流體是一個挑戰。(2)與熱釋電微流體操控技術的協同。鈮酸鋰晶體在熱刺激下可產生熱釋電荷，也可用于表面流體操控。因此，光熱復合操控是一個值得進一步研究的方向。(3)光伏微流體操控的芯片集成技術。光伏微流體操控技術的成功應用離不開微流控芯片，因此如何在PDMS封裝芯片中實現微流體的有效操控是該技術走出實驗室的必由之路。總之，鈮酸鋰基光伏微流體操控技術目前尚未成熟，有待進一步完善，但該技術對未來生物光子芯片低消耗、高效率的各類生化檢測的重要性不言而喻，對鈮酸鋰基生物光子芯片在制藥、醫療和生物等領域的成熟應用具有重要意義。