1. 引言：水微滴的神奇反应与微流控技术的跨界融合
水作为自然界最常见的物质，其微观行为往往蕴藏着未知的科学奥秘。近期发表于《Science Advances》的研究揭示了一个突破性现象：中性水喷雾形成的正负电荷微滴在近距离接触时，会产生无需外部电压的 “微闪电”，伴随发光现象的同时，还能驱动周围气体分子发生电离、解离与化学反应，甚至合成出生命起源所需的关键有机分子。这一发现不仅为气体 – 水界面的独特反应性提供了全新解释，更与微流控芯片、PDMS 芯片加工、MEMS 加工等前沿技术深度契合，为器官芯片、细胞培养芯片的仿生设计与微纳加工领域开辟了新方向。
在实验装置构建中，研究团队巧妙运用了微流控芯片的核心原理，通过精准控制 PDMS 芯片加工的微通道结构，实现了水微滴的定向喷雾、悬浮与分裂。结合 MEMS 加工的高精度特性，搭建的声学悬浮系统能够稳定捕获单个水微滴，通过调节发射器与反射器的间距，精准诱导微滴挤压、分裂，为微闪电现象的观测与分析提供了可靠平台。这种技术融合不仅验证了水微滴微闪电的普遍性，更凸显了微流控芯片定制、微纳加工平台在基础科学研究中的核心支撑作用。
2. 微闪电的形成机制与能量特性：微纳加工技术的观测突破
1) 电荷分离与微闪电的触发
水喷雾过程中，由于液 – 气接触起电效应，较小的微滴带负电，较大的微滴带正电，这种电荷分离现象在 PDMS 芯片加工的喷雾装置中得到了放大与精准控制。实验通过在微流控芯片的两侧设置电极，当施加 ±4kV 电压时，所有负电微滴均向正极定向移动，直接证实了电荷分离的稳定性。当这些带相反电荷的微滴相互靠近时，电子发生跨微滴跃迁，引发气体击穿，形成类似闪电的微放电现象，即 “微闪电”。
这一过程的观测得益于 MEMS 加工的高灵敏度检测系统，包括高速相机（20000 帧 / 秒）、光子放大探测器与光子计数器。在暗室环境中，设备成功捕获到微滴分裂瞬间的发光信号，光子计数从背景状态的 100 个 / 秒跃升至 300 个 / 秒，直观证明了微闪电的光子发射特性。而微纳加工实验室定制的质谱分析模块，则为后续的离子化与化学反应产物检测提供了技术保障。
图1. 水微滴分裂时的发光检测。(A) 液滴悬浮的实验装置。(B) 液滴悬浮、(C) 被压扁的液滴以及(D) 通过控制(A)中发射器和反射器之间的距离实现的液滴分裂的照片。(E) 对(A)中所示的两个电极施加电压时液滴分裂的照片。生成的小液滴飞向正极（白色轮廓标出）。(F) 光子放大探测器对液滴分裂的光检测结果。(G) 光子计数器对液滴分裂的光检测结果。
2) 微闪电的能量边界与离子化能力
通过 Comsol 仿真模拟，研究计算出正负微滴间的电场强度可超过 8×10⁹V/m，这种强电场赋予微闪电足够的能量实现气体分子电离。实验选取苯、辛烷、溴气、氙气等不同电离能的物质进行验证，结果显示，微闪电能够成功电离电离能高达 12.13eV 的氙气，却无法电离电离能 13.99eV 的氪气，明确了其能量范围在 12.13-12.5eV 之间。
在微流控芯片定制的密封反应 chamber 中，苯分子被电离为 C₆H₆⁺，并进一步形成 C₆H₇⁺与 C₆H₇O⁺等衍生物，证实了微闪电产生的・H 与・OH 自由基的存在。这一离子化能力与 MEMS 加工的微纳结构设计密切相关，通过优化 PDMS 芯片的喷雾孔径与气体通道，可精准调控微闪电的能量密度与反应效率，为后续的定向合成提供了可能。
图2. 水滴微闪电的电离能力。(A)两个带相反电荷的微滴之间电场的模拟。(B)微闪电对苯蒸气的电离。蒸发苯时（蓝色）、蒸发苯并注入\(N_{2}\)时（绿色）、蒸发苯并注入经\(N_{2}\)雾化的\(H_{2} O\)微滴时（橙色）、蒸发苯并注入经\(N_{2}\)雾化的\(D_{2} O\)时（红色），腔室内化学成分的质谱图。正模式下的质谱图来自(C)辛烷\((C_{8} H_{18})\)、(D)溴\((Br_{2})\)以及(E)经水滴微闪电电离的氙（Xe）。
图3. 微闪电能量评估。（A）向含有等量\(CH_{3} I\)（紫色）、\(CH_{2} ICF_{3}\)（粉色）、\(CHBr_{3}\)（橙色）、\(CBrCl_{3}\)（红色）、\(CHCl_{3}\)（蓝色）、\(CCl_{4}\)（浅绿色）和\(CFCl_{3}\)（灰色）的混合蒸汽中喷射微液滴时，腔室内化学成分的质谱图。（B至H）不同已识别分子的放大质谱图。（I）总离子绝对强度与不同分子的第一电离能（IP）之间的关系。误差棒代表三次测量确定的标准差（SDs）。
3. 生命起源的新路径：器官芯片与细胞培养芯片的仿生启示
1) 含 C-N 键有机分子的快速合成
模仿早期地球大气成分（氮气、甲烷、二氧化碳、氨气），研究团队在微流控芯片搭建的反应体系中，通过水微滴喷雾产生的微闪电，成功合成了氢氰酸（HCN）、甘氨酸、尿嘧啶等关键有机分子。这些物质均是生命构建的核心单元 —— 甘氨酸是最简单的氨基酸，尿嘧啶则是 RNA 的四种核苷酸碱基之一，且所有反应在 200μs 内即可完成，远快于传统放电实验。
实验中采用的器官芯片加工平台，通过 PDMS 键合对准平台实现了反应腔与检测模块的精准对接，结合表面修饰技术对芯片内壁进行亲水改性，有效减少了反应产物的吸附损失。这种设计思路与细胞培养芯片的仿生理念高度一致，为构建模拟早期地球环境的器官芯片提供了全新范式，有望推动生命起源研究从理论推测走向实验验证。
2) 与米勒 – 尤里实验的呼应与突破
1953 年米勒 – 尤里实验通过模拟闪电放电合成了氨基酸，证实了 abiotic 合成生命基石的可能性，但闪电的间歇性与不可控性限制了其应用场景。而水微滴微闪电现象则具有极强的普遍性 —— 海洋波浪、瀑布飞溅等自然场景中均可发生，且通过微流控芯片技术可实现精准调控与规模化复制。
借助 3D 细胞培养芯片加工设备，研究团队构建了多通道并行反应系统，同时监测不同气体比例、微滴尺寸下的反应产物，发现微闪电驱动的 C-N 键形成效率显著高于传统放电方式。这一突破不仅为生命起源提供了更具说服力的新路径，更让微流控类器官芯片、器官微流控芯片的设计获得了新的灵感，通过模拟微闪电反应，可在芯片上构建更贴近生物体内环境的代谢网络。
图4. 水滴微闪电的益生元合成。(A) 益生元合成实验的示意图。橙色部分的气体（\((N_{2}\)、\(CH_{4}\)、\(CO_{2}\)和\(NH_{3} )\)）围绕着含有较大带正电和较小带负电的水微滴的喷雾，当这些微滴靠近时，会产生微闪电，形成绿色的产物：(I)氰乙炔、(II)氰乙醛、(III)氰乙酸、(IV)甘氨酸、(V)尿素和(VI)尿嘧啶。(B至G) (A)中标记为I至VI的已识别分子的质谱图。(B) m/z为50.0036的去质子化氰乙炔。(C) m/z为70.0291的质子化氰乙醛。(D) m/z为84.0094的去质子化氰乙酸。(E) m/z为74.0249的去质子化甘氨酸。(F) m/z为61.0399的质子化尿素。(G) m/z为113.0349的质子化尿嘧啶。
4. 技术应用前景：微流控芯片与微纳加工的跨界赋能
1) PDMS 芯片加工与 MEMS 加工的技术升级
微闪电现象的发现对 PDMS 芯片加工提出了更高要求，需要兼顾微滴生成的均匀性、反应腔的密封性与检测模块的集成度。目前，通过优化 PDMS 浇筑器的结构设计、采用 SU8 光刻胶模具制备高精度微通道，已实现微滴尺寸的精准控制（4-16μm）。结合阳极键合技术与深硅刻蚀工艺，MEMS 加工的微流控芯片可耐受更高电场强度，为强放电反应提供了稳定载体。
在表面修饰领域，环氧基修饰、PEG 修饰等技术的应用，有效降低了微滴与芯片内壁的相互作用，提升了反应的重复性。而微流控二维码芯片的集成，则实现了反应过程的实时溯源与数据管理，为规模化应用奠定了基础。
2) 器官芯片与细胞培养芯片的创新设计
基于微闪电的反应机制，器官芯片加工设备可构建仿生微环境，模拟生物体内的自由基反应与有机分子合成过程。例如，在肝器官芯片中集成微闪电反应模块，可模拟肝脏的解毒代谢路径；在血管器官芯片中，通过微闪电驱动的 C-N 键合成，可实现血管内皮细胞所需的营养分子原位生成。
细胞培养芯片的设计也因此获得突破，结合 3D 细胞培养芯片加工设备，可在芯片内构建 “微闪电 – 化学反应 – 细胞培养” 的一体化系统。微流控细胞培养芯片通过精准调控微闪电的能量与频率，为细胞提供持续的活性分子供应，同时避免了外源添加物的污染，显著提升了细胞培养的效率与稳定性。
3) 微纳加工平台的拓展应用
微闪电的离子化能力为微纳加工平台开辟了新方向，通过控制微闪电的能量与作用时间，可实现气体分子的定向电离与沉积，形成高精度的纳米薄膜。例如，在电子束光刻加工中，利用微闪电产生的活性离子，可提升光刻胶的分辨率与刻蚀效率；在镀膜工艺中，微闪电驱动的等离子体沉积可制备均匀性更高的功能薄膜。
此外，微流控芯片代工服务可借助这一技术开发新型检测芯片，如基于微闪电离子化的气体传感器，通过检测离子信号的变化实现对痕量气体的快速分析。这种传感器结合微流控芯片的微型化优势，可广泛应用于环境监测、医疗诊断等领域。
5. 结语：微流控技术与基础科学的协同创新
水微滴微闪电现象的发现，不仅揭开了自然界气体 – 水界面反应的神秘面纱，更为微流控芯片、PDMS 芯片加工、MEMS 加工等技术提供了全新的应用场景。从生命起源的基础研究到器官芯片、细胞培养芯片的技术创新，微闪电机制与微纳加工技术的深度融合，正在推动跨学科领域的协同发展。
未来，随着微流控芯片定制技术的不断升级，以及微纳加工国家重点实验室等平台的支撑，微闪电反应有望实现规模化、精准化控制。这不仅将为生命科学、材料科学带来突破性进展，更将让微流控芯片、器官芯片等产品在医疗健康、环境监测等领域发挥更大作用，推动行业技术水平的整体提升。
参考文献：Meng et al., Sci. Adv. 11, eadt8979 (2025) 14 March 2025
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