1. 引言：接触起电与微流控技术的跨界融合
在微流控芯片、MEMS 加工与器官芯片研发的快速发展进程中，液体接触起电（CE）现象始终是行业关注的核心议题。作为微纳加工领域的重要研究方向，接触起电不仅影响微流控芯片的液滴操控精度，更与器官芯片的生物相容性设计、PDMS 芯片的表面性能调控密切相关。传统研究多聚焦于体相水的接触起电行为，而微米级水微滴作为微流控芯片、3D 细胞培养芯片中的关键工作单元，其电荷转移规律长期处于研究盲区。
近年来，随着超声雾化技术在微流控芯片加工平台的广泛应用，水微滴在雾化过程中的特殊化学特性逐渐显现 —— 无需外部电场即可自发生成过氧化氢（H₂O₂），这一发现为器官芯片的自清洁设计、微流控消毒系统的研发提供了全新思路。然而，这一现象的核心驱动机制始终未被明确，制约了其在微流控芯片定制、MEMS 代工加工等工业场景的规模化应用。本文基于 PNAS 最新研究成果，结合微流控芯片技术、PDMS 芯片制备、微纳加工工艺等行业关键技术，系统解析水微滴间尺寸依赖性电荷转移的内在规律及其行业价值。
2. 实验方法与核心发现：微纳检测技术的创新应用
1) 实验设计与检测体系
研究团队创新性地将超声雾化技术与微纳检测方法结合，构建了一套集水微滴生成、电荷测量、尺寸表征于一体的实验系统。实验中采用超声雾化器（1.7MHz 与 2.4MHz 两种频率）生成水微滴，该设备的设计原理与微流控芯片加工中的液滴发生芯片技术异曲同工，可精准调控微滴粒径分布。微滴生成后通入平行电极间隙（间距 50cm），通过施加 200-360kV/m 的均匀电场，观察微滴在电场中的运动轨迹，进而推算其电荷极性与电荷量。
在尺寸与电荷定量表征方面，研究采用开尔文探针力显微镜（KPFM），这一技术在 MEMS 加工、微流控芯片表面电势检测中已广泛应用。通过将水微滴吸附于 PTFE 涂层导电硅片表面，利用微滴蒸发后残留的圆形电荷图案，结合体积守恒原理，精准计算出微滴的几何直径（区别于传统级联撞击器的气动直径测量）。同时，借助 KPFM 的表面电势测量功能，直接获取不同尺寸微滴的电荷特性，为后续机制分析提供了可靠数据支撑。
图1. 实验装置。(A) 实验装置示意图。在两个平行电极的间隙下方放置一个超声雾化器，两电极间距为50厘米。(B) 带负电和带正电的水微滴在匀强电场中的运动及受力分析示意图。由于异种电荷相互吸引，带负电的微滴会向正极移动，带正电的微滴会向负极移动。\(F_{e}\)表示微滴所受的静电力，\(F_{d}\)表示微滴所受的阻力。(C) 当两个电极的电势分别为8千伏和-8千伏时，高速相机拍摄到的雾滴运动情况。
2) 核心实验结论
- 尺寸依赖性电荷分布：实验证实，超声雾化生成的水微滴存在显著的尺寸依赖性电荷转移现象 —— 大尺寸微滴（平均直径 2.8μm）倾向于携带正电荷，小尺寸微滴（平均直径 1.2μm）则主要携带负电荷，且电荷转移量与微滴表面积呈正比。这一规律在 1.7MHz 与 2.4MHz 两种频率超声雾化器的实验中均得到验证，表明其具有良好的普适性。
- 电荷量与电场强度：通过终端静电速度与电场强度的线性关系推算，1.7MHz 超声雾化器生成的正电微滴平均电荷量约为 2384e⁻，负电微滴约为 540e⁻；2.4MHz 设备生成的正电微滴电荷量约 1864e⁻，负电微滴约 496e⁻。更重要的是，研究发现正负电微滴分离瞬间的电场强度可达 10⁹V/m，这一强电场足以驱动羟基离子（OH⁻）转化为羟基自由基（OH・），为 H₂O₂的自发生成提供了关键依据。
- 尺寸调控的可行性：实验表明，通过调整超声雾化器频率可精准调控微滴平均直径（1.7MHz 对应 2.6μm，2.4MHz 对应 2.2μm），这一特性与微流控芯片加工中通过光刻胶模具设计调控流道尺寸的原理相似，为后续行业应用中的参数优化提供了灵活方案。
图2. 水微滴直径的测量。(A) 利用KPFM测量聚四氟乙烯（PTFE）表面圆形电荷图案的直径，以及吸附前微滴直径与圆形电荷图案直径之间关系的示意图。(B) 不同尺寸的微滴蒸发后在聚四氟乙烯（PTFE）表面产生的电荷图案（V为平均开尔文电位）。使用1.7 MHz频率的超声雾化器产生的（C）雾微滴（影片S2）、（D）带正电的雾微滴（影片S3）和（E）带负电的雾微滴（影片S4）靠近后，聚四氟乙烯（PTFE）表面上产生的电荷图案。(F) 所有微滴、(G) 带正电微滴和(H) 带负电微滴（由1.7 MHz频率的超声雾化器产生）的直径分布。
3. 电荷转移机制：曲率诱导的表面电势差效应
1) 传统机制的局限性
此前，固体颗粒的尺寸依赖性电荷转移多被归因于接触应力与接触面积的不对称性，但这一解释无法适用于液体微滴体系。水微滴在超声雾化过程中，或直接从水面脱离，或通过大微滴分裂形成，其分离过程中不存在固体颗粒那样的多轮碰撞与应力不对称，因此需要从液体特有的表面特性寻找答案。
2) 曲率诱导的表面电势差模型
研究提出的核心机制在于微滴表面曲率差异导致的表面电势（SP）不同。大尺寸微滴表面曲率较小，水分子的氢原子更倾向于朝向气相侧；小尺寸微滴表面曲率较大，水分子氢原子则偏向液相侧。这种分子取向差异使得小尺寸微滴的表面电势高于大尺寸微滴，类似金属材料中功函数的差异。
为维持能量守恒，负电荷会从表面电势较低的大微滴自发转移至表面电势较高的小微滴，形成 “大滴带正电、小滴带负电” 的分布格局。这一过程与微流控芯片表面修饰中的电荷调控技术原理相通，均通过表面特性的精准调控实现电荷的定向转移。当正负电微滴在超声作用下分离时，二者间形成的强电场（10⁹V/m）成为驱动化学反应的核心动力，促使 OH⁻转化为 OH・，进而通过自由基重组生成 H₂O₂。
图3. 电场强度对终端静电速度的影响。1.7 MHz超声雾化器产生的雾滴在（A）200 kV/m、（B）280 kV/m和（C）360 kV/m电场中的运动情况。（D）正微滴、（E）负微滴的终端静电速度与电场的关系。
3) 机制验证的行业关联
这一机制的验证过程中，KPFM 技术的应用的关键。该技术在微纳加工、MEMS 芯片检测中已成熟应用，其精准的表面电势与尺寸测量能力，为微滴电荷特性的量化分析提供了保障。同时，实验中采用的 PTFE 涂层表面与 PDMS 芯片的表面改性技术具有相似性，为该机制在 PDMS 芯片加工平台的推广提供了技术衔接点。
图4. 2.4 MHz超声波雾化器产生的雾状微滴的带电情况。(A) 2.4 MHz超声波雾化器产生的雾状微滴在320 kV/m电场中的运动。(B)所有微滴、(C)带正电微滴和(D)带负电微滴（由2.4 MHz频率的超声波雾化器产生）的直径分布。(E)带正电微滴、(F)带负电微滴的终端静电速度与电场之间的关系。
4. 行业应用价值：赋能微流控与器官芯片等多领域发展
1) 微流控芯片技术的性能升级
微流控芯片的核心优势在于对微尺度液滴的精准操控，而本研究揭示的微滴电荷转移规律为液滴操控技术提供了新的调控维度。在微流控芯片定制过程中，可通过调整超声雾化参数（频率、功率）调控微滴尺寸与电荷特性，结合 MEMS 加工的高精度电极设计，实现液滴的电场驱动定向传输、精准分选与高效反应。例如，在液滴发生芯片中，利用电荷转移效应可显著提升微滴融合效率，为单细胞分析、数字 PCR 芯片的性能优化提供支撑。
2) 器官芯片与 3D 细胞培养芯片的创新设计
器官芯片作为模拟人体生理环境的核心平台，其表面清洁度与生物相容性直接影响实验结果的可靠性。本研究发现的 H₂O₂自发生成现象，可集成于器官芯片加工中，构建自清洁消毒模块 —— 通过超声雾化生成带电解水微滴，利用其自发产生的 H₂O₂实现芯片流道的原位消毒，无需额外添加化学消毒剂，避免对细胞培养环境造成干扰。这一设计方案已在 3D 细胞培养芯片的原型验证中展现出良好潜力，尤其适用于对无菌环境要求严苛的类器官培养场景。
3) MEMS 加工与化学合成的效率提升
在 MEMS 代工加工中，微纳结构的表面电荷控制是影响器件性能的关键因素。本研究提出的曲率诱导电荷转移模型，为 MEMS 芯片的表面电荷调控提供了新的理论依据。通过优化微结构的几何尺寸（如曲率半径），可实现表面电荷的定向分布，提升 MEMS 传感器的灵敏度与稳定性。同时，在化学合成领域，利用微滴分离时的强电场驱动反应，可显著加速氧化还原反应速率，结合微流控芯片的连续流反应特性，构建高效、绿色的化学合成平台，为精细化工、药物合成等行业提供新技术路径。
4) PDMS 芯片与表面修饰技术的优化
PDMS 芯片作为微流控领域的主流材料，其表面电荷特性直接影响液滴润湿性与流动行为。本研究揭示的表面电势调控机制，为 PDMS 芯片的表面改性提供了新思路。通过模拟微滴表面曲率对电势的影响，可采用表面修饰技术（如环氧基修饰、氨基修饰）调整 PDMS 芯片表面的电势分布，优化液滴在芯片流道中的运动特性，降低流阻、提升传输效率。这一优化方案已在 PDMS 芯片键合对准平台的应用中得到初步验证，显著提升了芯片的液滴操控精度。
去离子水表面态中的能级。具有不同表面曲率的两个分离水微滴的示意图（B）电荷转移前和（C）电荷转移后。SP是表面电势图5. 水微滴间不对称尺寸诱导的电荷转移机制。（A）超声雾化示意图。微滴的能带，\(EVAC\)是真空能级，∆OP是转移电荷产生的补偿电势，F是最高占据
5. 总结与展望
本研究通过创新实验设计，首次明确了水微滴间尺寸依赖性电荷转移的规律与机制，证实了接触起电是微滴自发生成 H₂O₂的核心驱动因素。这一发现不仅填补了液体接触起电研究的空白，更与微流控芯片、MEMS 加工、器官芯片、PDMS 芯片制备等行业关键技术深度契合，为相关领域的技术创新提供了新的理论支撑与实践路径。
未来，随着微纳加工技术的不断进步，该机制有望在更多场景实现规模化应用：在微流控芯片加工中，可开发基于电荷转移的新型液滴操控模块；在器官芯片研发中，可构建集成自清洁功能的一体化平台；在 MEMS 代工服务中，可优化微结构表面电荷设计，提升器件性能。同时，结合光刻、深硅刻蚀、电子束加工等先进工艺，有望进一步提升微滴尺寸与电荷的调控精度，推动微流控与相关行业的高质量发展。
在技术推广过程中，需加强跨领域合作，将电荷转移机制与微流控芯片定制、PDMS 芯片加工平台、器官芯片加工设备的实际需求相结合，开发兼具理论创新性与工业实用性的技术方案。相信随着研究的不断深入，水微滴电荷转移技术将成为微流控与相关行业的核心支撑技术之一，为行业发展注入新的活力。
参考文献：https://doi.org/10.1073/pnas.2307977120
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