在全球可持续发展需求日益迫切的背景下，微滴技术凭借其独特的 physicochemical 特性，已成为连接微流控芯片、MEMS 加工、器官芯片等前沿技术的核心纽带，在清洁能源生产与水处理领域掀起创新浪潮。这种以微小液滴为核心的反应与合成平台，通过 PDMS 芯片加工平台、光刻技术等关键工艺的支撑，实现了从功能材料精准合成到污染物高效治理、清洁能源绿色生产的全链条突破，为解决全球水危机与能源短缺提供了全新路径。
图1. 基于微液滴的功能材料合成、能量载体生产、自驱动微型游泳器和小型化分析设备策略概述。
1. 微滴技术的核心特性与技术支撑
图2. A) 经典分散液液微萃取（DLLME）过程示意图。[42] 版权所有2022，美国物理学会（AIP）。B) 展示分析物从样品流中萃取到表面纳米液滴中的示意图。经许可转载。[104] 版权所有2021，英国皇家化学会。C) 显示辛醇微液滴固定在毛细管内壁上的荧光图像。[105] 版权所有2023，爱思唯尔，以及毛细管中收集的辛醇。[101] 版权所有2022，美国化学会。D) 描述罗丹明B从水中（左）到1-辛醇（右）的萃取过程的示意图及相应照片，以及相邻液滴间多种分析物的萃取（比例尺：1毫米）。[106] 版权所有2023，威利。E) 展示表面纳米液滴在（i）水相和（ii）空气环境中捕获微塑料的示意图；（iii）显示纳米液滴界面上微塑料的荧光显微镜图像。经许可转载。[35] 版权所有2024，美国化学会。F) 展示从外部溶液中萃取到包封纳米液滴中的分子荧光强度增强的示意图，以及与疏水（红色）和亲水（绿色）混合物接触的分隔液滴的明场和荧光光学图像。经许可转载。[107] 版权所有2020，威利。G)（i）声学图案化PDDA/ATP凝聚层微液滴的光学显微镜图像；（ii）含有多种分析物（包括葡萄糖氧化酶（GOx）、淀粉葡糖苷酶（AGx）或辣根过氧化物酶（HRP））的凝聚层微液滴的荧光显微镜图像。[108] 版权所有2016，《自然》。
微滴作为微型反应体系的核心，其高比表面积、受限空间效应等固有优势，使其在反应控制、物质传输等方面远超传统批量体系。这些优势的充分发挥，离不开微流控芯片、PDMS 芯片制备、MEMS 加工等技术的深度赋能。通过 PDMS 键合对准平台、光刻胶模具制备等精密加工工艺，可实现微滴尺寸、组成及界面特性的精准调控，形成从微米到纳米尺度的可编程微反应环境。
在技术实现层面，PDMS 芯片加工设备通过浇筑、键合、打孔等系列流程，构建出适配微滴生成与操控的微通道结构，配合 MEMS 加工中的电子束光刻、镀膜等工艺，进一步提升了微滴反应的稳定性与可重复性。表面修饰技术的应用则优化了微滴与底物的相互作用，无论是亲水修饰增强物质吸附，还是疏水修饰减少污染附着，都为微滴技术的场景化应用提供了关键支撑。这种多技术融合的特性，使微滴系统既具备微观调控的精准性，又拥有宏观应用的 scalability。
便携式设备；（ii）表面微液滴中纳米萃取和比色反应示意图；（iii）脱色时间（t）与图3的函数关系。A）喷雾液滴耦合质谱检测的实验装置示意图。[126] 版权所有2024，美国化学会。B）（i）乳液液滴与铂微电极碰撞及随后\(H_{2} O_{2}\)氧化的示意图；（ii）单个液滴与微电极碰撞产生的特征电流瞬态（快速上升后呈指数衰减）。[80] 版权所有2024，美国国家科学院。C）（i）水性微液滴中酶级联反应过程颜色变化示意图；（ii）通过水性微液滴的光学图像追踪级联反应进程的时间依赖性演变。经许可转载。[128] 版权所有2021，英国皇家化学会。D）（i）不同窖藏年限的两种中国白酒在单个表面纳米液滴中的脱色过程，可通过纳米液滴横向半径（R）进行监测。经许可转载。[124] 版权所有2020，美国化学会，以及[129]。版权所有2022，美国化学会。E）基于细胞表面生物偶联的微液滴中单细胞分泌生长因子的表面增强拉曼光谱检测工作流程示意图。经许可转载。[91] 版权所有2022，美国化学会。
2. 微滴在化学传感与分析中的创新应用
图4. A) (i) 示意图展示了在3D打印微腔中通过溶剂交换过程在PDMS上形成VE膜和表面纳米液滴的过程；(ii) PDMS基底上形成的银纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像；(iii) 银纳米颗粒-PDMS基底上罗丹明6G（R6G）在612 cm \(612 ~cm^{-1}\)处的二维拉曼映射。经许可转载。[145] 版权所有2024，美国化学会。B) (i) 溶剂交换过程的示意图概述；(ii) VE纳米液滴与\(Ag+\)离子之间用于银纳米结构合成的双相反应机理；(iii) 图案化基底上的VE表面纳米液滴以及相应的银纳米环阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像；(iv) 银纳米环的二维拉曼强度映射。经许可转载。[146] 版权所有2023，爱思唯尔。C) (i) 单个MIL-100/Ag圆顶的SEM图像；(ii) MIL-100/Ag结构的元素映射；(iii) 亚甲基蓝浓度与1625 cm \(1625 ~cm^{-1}\)处拉曼强度之间的线性相关性。经许可转载。[31] 版权所有2025，爱思唯尔。
微滴技术与传感分析的结合，催生了超灵敏检测体系的快速发展，其核心优势在于将纳米萃取、反应加速与信号放大功能集成于微流控芯片平台。在非反应性检测领域，表面固定的微滴通过高效纳米萃取实现痕量分析物的富集，配合 PDMS 芯片加工而成的微透镜阵列，可将荧光信号或拉曼信号放大数十倍，实现对微塑料、有机污染物等的超痕量检测。这种检测模式已成功应用于环境水样中污染物筛查，检测限低至 10⁻¹² M 级别。
图5. A) (i) PDMS膜表面的微孔阵列；(ii) 微孔内形成的银纳米结构的扫描电镜图像；(iii) 限制在微孔中的VE液滴的共聚焦图像（比例尺：200 μm）；(iv) 示意图展示了在\(AgNO_{3}\)前驱体存在下，VE液滴界面处银纳米颗粒的成核和生长过程。B) 微孔图案化PDMS膜上液滴蒸发的示意图，箭头标记了后退接触线，该接触线导致边缘处的表面增强拉曼散射信号更强。C) 从等离子体PDMS膜上100个不同位置获取的表面增强拉曼散射光谱。D) 612 cm⁻¹处的表面增强拉曼散射强度与罗丹明6G浓度之间的线性关系（误差棒代表来自不同位置的>10个光谱）。E) 等离子体PDMS膜的柔韧性和机械稳健性展示（比例尺：2 cm），该膜应用于苹果表面以进行原位农药检测。经许可转载。[34] 版权所有2024，威立。
反应性微滴则通过在受限空间内加速化学转化，实现对瞬态反应中间体的捕获与分析。借助 MEMS 加工而成的微流控芯片，可实现微滴与质谱、电化学检测等技术的无缝对接，在生物毒素、代谢物检测中展现出快速响应优势。例如，基于表面修饰的醛基化载玻片与微滴反应体系结合，实现了对生物标志物的高特异性识别，为临床诊断与环境监测提供了便携式解决方案。这些应用不仅体现了微滴技术的检测优势，更凸显了 PDMS 芯片、光刻等加工技术在设备小型化、集成化中的关键作用。
图6. A)（i）昆虫复眼的光学图像；（ii）利用表面微液滴衍生的微透镜阵列（MLA）模板制备复眼（CE）的示意图；（iii）在曲面上具有微孔的最终CE的照片；（iv）CE顶面的扫描电镜（SEM）图像。B）罗丹明6G（10⁻⁴M和10⁻⁸M）通过玻璃、单透镜（无小眼）和CE成像的光学信号，以及有无CE时玻璃珠的投影。C）使用5毫米CE在0°（顶部）、+59°（中部）和−59°（底部）观察到的焦点。D）荧光。E）CE在表面增强拉曼光谱（SERS）检测中的应用以及腺嘌呤的代表性拉曼光谱。F）不同腺嘌呤浓度下有无CE的SERS信号强度比较。经许可转载。[36] 版权所有2024，威立（Wiley）。
3. 微滴驱动功能材料合成与水处理技术突破
图7. A) 三乙胺功能化聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球从微液滴形成的示意图，光学图像显示了从微液滴（上）到微球（下）的转变。经许可转载。[24] 版权所有2025，爱思唯尔。B) 在紫外光照射下（40分钟），使用负载催化剂的微胶囊在染料水溶液中进行聚酐网络的光聚合及随后的光降解。经许可转载。[160] 版权所有2020，英国皇家化学会。C) 溶剂交换法形成表面微液滴，随后通过局部光聚合制备微透镜（ML）的示意图。经许可转载。[39] 版权所有2024，威利。D) 均质基底和预图案化基底上的随机PMMA微透镜（MLR）和微透镜阵列（MLA）的光学图像。[38] 版权所有2023，爱思唯尔。E) PMMA MLR（左）和MLA（右）中单个微透镜的模拟横截面光强分布。[23] 版权所有2022，美国化学会。F) 光降解效率（𝜂）与微透镜聚焦效应强度之间的相关性 [173] 版权所有2024，威利。G) 以花形反应器为例的表面微透镜功能化弯曲基底示意图。[173] 版权所有2024，威利。H) 在不同太阳强度下，在实际河水中测试的用于光催化降解的微透镜阵列功能化反应器。[38] 版权所有2023，爱思唯尔。I) 集成凹面微透镜阵列PDMS膜的非接触模式反应器示意图，包括该膜在自然光下的照片和表面的扫描电镜图像。J) 凹面微透镜阵列的模拟横截面（上）和顶视图（下）强度分布。[39] 版权所有2024，威利。
微滴作为微型反应器，为水处理功能材料的精准合成提供了理想平台，其在金属氧化物、MOF 材料、聚合物微球等合成中的应用，彻底改变了传统材料制备流程。通过 PDMS 芯片加工的微流控系统，可实现金属氧化物光催化剂的定向生长，形成的 ZnO 纳米棒、TiO₂微球等材料，在有机污染物降解中展现出远超传统催化剂的活性与稳定性。这些材料通过器官芯片加工平台的进一步整合，已应用于复杂水体中抗生素、染料等污染物的深度处理。
图8. A) 利用溶剂交换和水热处理制备ZnO纳米胶囊功能化小瓶的流程及照片。经许可转载。[40] 版权所有2025，爱思唯尔。B) 在模拟室内阳光下，ZnO纳米胶囊功能化小瓶中甲基橙溶液的颜色变化。经许可转载。[26] 版权所有2023，美国化学会。C) ZnO纳米棒的SEM（俯视图）和D) PFIB-SEM（横截面图）图像。经许可转载。[40] 版权所有2025，爱思唯尔。E) ZnO涂层空心玻璃微珠的示意图，以及F) 未涂层MGB和G) ZnO涂层MGB的FESEM图像。经许可转载。[203] 版权所有2024，爱思唯尔。
在水处理应用中，微滴合成的功能材料呈现出多元应用场景。一方面，通过微流控芯片定制的多孔 MOF 材料，凭借其超大比表面积实现对重金属离子、持久性有机污染物的高效吸附；另一方面，微滴制备的聚合物微透镜阵列通过光学聚焦效应，增强光催化反应效率，使太阳光驱动的高级氧化工艺在低光照条件下仍能保持高降解效率。此外，PDMS 芯片加工的可复用反应装置，配合表面长效亲水处理技术，解决了催化剂回收难、设备易污染等行业痛点，推动了水处理技术的工程化应用。
图9. A) 用于合成铂纳米颗粒的微流控装置示意图，其中硅油作为载流相。展示了铂立方体的TEM和HRTEM图像。经许可转载。[209] 版权所有2022，美国化学会。B) 用于金属笼制备的微流控装置生成微液滴的示意图。[210] 版权所有2023，威利。C) (i) 在表面纳米液滴界面发生双相反应形成花状表面金纳米结构的示意图；(ii) 500秒和1000秒时二元表面纳米液滴的共聚焦显微镜图像；(iii) 金纳米结构的催化反应速率与液滴半径的函数关系。经许可转载。[211] 版权所有2024，威利。D) (i) \(HAuCl_{4}\)前驱体与1-十二硫醇表面纳米液滴相互作用的反应示意图；(ii) 金纳米坑（GNCs）阵列的光学图像。经许可转载。[212] 版权所有2022，爱思唯尔。E) (i) 在表面微液滴的液-液界面形成金属有机框架（MOF）的过程；(ii) 用FITC-葡聚糖染色的表面微液滴的3D堆叠共聚焦荧光显微镜图像（上）和单个MIL-100凸圆的AFM图像（下）；(iii) 单个MIL-100凸圆的SEM-EDX图像；(iv) MIL-100基底用于水中模型化合物去除的重复使用性测试。经许可转载。[31] 版权所有2025，爱思唯尔。
4. 微滴技术赋能清洁能源绿色生产
图10. A) 示意图展示了发生酯交换反应的膜区域以及随后在界面处形成甘油层的过程。经许可转载。[232] 版权所有2019，爱思唯尔有限公司。B) 大豆油的酶促酯交换反应机理：(i) 酶结构的闭合（ inactive）和开放（ active）构象，以及(ii) 酶界面活化示意图。经许可转载。[237] 版权所有2024，爱思唯尔B.V.。C) 突出显示具有不同润湿性的微胶囊系统界面定位的示意图。经许可转载。[238] 版权所有2022，美国化学会。D) 不同双相系统中底物的催化转化。E) 利用PNIPAM-co-4VP微凝胶和脂肪酶共稳定的O/W/O皮克林双乳液进行界面生物催化和脂肪酶回收的示意图。经许可转载。[239] 版权所有2022，约翰威立国际出版公司。F) 皮克林乳液的磁光响应行为。经许可转载。[240] 版权所有2024，爱思唯尔。
微滴技术在清洁能源领域的应用，覆盖了生物柴油合成、氢气制备、氮 fixation 等关键方向，为可再生能源的高效转化提供了新范式。在生物柴油生产中，Pickering 乳液微滴通过 PDMS 芯片加工的微通道实现油 – 醇两相的高效接触，配合表面修饰的酶催化剂，将酯交换反应效率提升 30% 以上，同时降低了反应能耗与污染物排放。这种基于微流控芯片的连续化生产模式，已成为生物柴油工业化的重要发展方向。
图11. A) 通过\(CO_{2}\)/真空处理实现的可编程反应过程示意图。经许可转载。[249] 版权所有2019，美国化学会。B) 不同体系中有机硅烷转化效率的直方图：Pickering乳液、存在有机溶剂的体系以及两相体系。经许可转载。[249] 版权所有2019，美国化学会。C) 水相环境中分散的有机硅烷微滴示意图。经许可转载。[53] 版权所有2025，美国化学会。D) 用于制备无表面活性剂Ouzo乳液的PMH-丙酮-水体系的三元相图。经许可转载。[54] 版权所有2025，爱思唯尔公司。E) 表面积与体积比对\(H_{2}\)转化率（𝜂）的影响。经许可转载。版权所有2025，爱思唯尔公司。F) 在CTAB介导下\(OH^{-}\)离子从水相转移到有机相的示意图。经许可转载。[53] 版权所有2025，美国化学会。G) 表面活性剂类型对界面析氢反应的影响：（左）阳离子表面活性剂可促进氢氧根离子快速扩散；（右）阴离子和非离子表面活性剂会阻碍扩散。经许可转载。[53] 版权所有2025，美国化学会。
氢气生产方面，微滴技术通过优化液 – 液界面传质，显著提升了有机硅烷脱氢反应速率。借助微流控芯片的精准控温与混合功能，配合 MEMS 加工的微型反应腔，实现了氢气的按需生成与高效收集，为燃料电池的便携化提供了核心支撑。在氮 fixation 领域，水微滴表面自发产生的活性氧物种，可在无催化剂条件下实现氮气向氨、硝酸盐的转化，这种基于微滴界面效应的绿色固氮技术，为化肥生产与氢能存储提供了低碳路径。此外，液体金属微滴催化剂的开发，进一步拓展了微滴技术在 CO₂还原等碳中性反应中的应用潜力。
图12. A) 在不同混合因子（n）下，二元（i）PMH-辛醇和（ii）PMH-癸醇微液滴中\(H_{2}\)体积的时间演变。经许可转载。[254] 版权所有2025，爱思唯尔有限公司。B) 单个有机硅烷液滴在周围氢氧化钠溶液中反应的示意图，其中脱氢反应通过醇解在液滴内部进行，并通过水解在液滴-水界面进行。经许可转载。[254] 版权所有2025，爱思唯尔有限公司。C) 利用由本体反应生成的\(H_{2}\)供能的单单元燃料电池的能量转换系统示意图。经许可转载。[254] 版权所有2025，爱思唯尔有限公司。
5. 技术融合与未来发展趋势
图13. A) 结合质谱的超声喷雾装置，用于实时监测氨的生成。经许可转载。[50] 版权所有2023，《美国国家科学院院刊》。B) 基于微滴的尿素合成系统示意图，原料为\(CO_{2}\)和\(N_{2}\)。C) 用于固氮的超声雾化方法示意图。D) 空气和E)\(N_{2}\)气氛下固氮产物随时间的演变。经许可转载。[51] 版权所有2025，美国化学会。F)\(HNO_{3}\)生产的实验装置。G)\(NO_{3}^{-}\)产率与\(N_{2}\)鼓泡时间的函数关系。经许可转载，l262l 版权所有2024，美国化学会。
微滴技术的持续演进，正朝着与 AI、3D 细胞培养芯片、器官芯片等前沿领域深度融合的方向发展。通过机器学习算法对微滴反应数据的分析，可实现功能材料合成条件的自主优化，配合 PDMS 芯片加工的高通量反应平台，将材料开发周期缩短 50% 以上。在智能传感领域，AI 驱动的微滴检测系统能够实现多污染物的同时识别与定量，为环境监测提供实时化、智能化解决方案。
图14. A) 基于聚合物的自泳微液滴的示意图。经许可转载。[302] 版权所有2025，美国化学会。B) 液泡生长速率和基于破裂的运动性的机理解释。经许可转载。[303] C) (i) 化学活性蛋白质凝聚体的示意图。聚合物充当耗尽剂，触发凝聚，而富含酶的液滴则起到微化学反应器的作用。(ii) 非湿润表面上化学活性液滴的图像序列，显示了主液滴（p）、卫星液滴（s）以及第一幅图中指示的运动方向。经许可转载。[304] D) 涉及生物分子的不同运动行为的示意图。经许可转载。[305] 版权所有2023，爱思唯尔公司。
在技术落地层面，器官芯片加工与微滴技术的结合，催生了模拟人体代谢的水处理新材料筛选平台，通过 3D 细胞培养芯片模拟污染物在生物体内的转化路径，指导功能材料的定向设计。同时，PDMS 芯片的柔性化、可穿戴化发展，使微滴传感系统能够集成于水质监测设备、能源生产终端，实现场景化实时监控。未来，随着 MEMS 加工精度的提升、表面修饰技术的创新以及 AI 算法的优化，微滴技术将在海水淡化、碳中和能源系统、痕量污染物治理等领域实现更大突破，成为可持续发展的核心支撑技术。
图15. A) 光诱导液滴运动的各种潜在机制示意图：(i) 润湿性梯度导致液滴前后接触角存在差异，从而产生拉普拉斯压力梯度和内部流动。经许可转载。[306]
图16. A) (i) PS-DMCHA微液滴从固体基底脱离并上升的示意图。(ii) 非上升和上升液滴的阿基米德（Ar）数。(iii) 在不同初始条件下液滴发射凝固时间的示意图。经许可转载。[316] 版权所有2023，Wiley-VCH。B) 氢氧化钠催化聚甲基氢硅氧烷（PMH）脱氢生成氢气（\((H_{2})\)）。C) 侧视图以及D) (i) \(H_{2}\)气泡成核、生长和液滴内气泡形成的示意图与快照。(ii) 不同液滴和不同氢氧化钠浓度下的邦德数。经许可转载。[317] 版权所有2024，Wiley-VCH。E) 展示不同成分的二元PMH-醇微液滴中\(H_{2}\)气泡生长的快照。分子模拟展示了三种不同界面张力（𝛾）下的纳米气泡成核和生长，左：\(\gamma_{12}=40 mN m^{-1}\)，中：\(\gamma_{12}=23 mN m^{-1}\)，右：\(\gamma_{12}=10 mN m^{-1}\)。经许可转载。[254] 版权所有2025，Elsevier B.V.
微滴技术的崛起，本质上是微流控芯片、PDMS 加工、MEMS 技术等多领域协同创新的结果。其在清洁能源与水处理领域的应用，不仅解决了传统技术效率低、能耗高、污染重等痛点，更构建了 “材料合成 – 功能应用 – 智能调控” 的全链条创新体系。随着 PDMS 芯片制备工艺的不断优化、表面修饰技术的持续升级以及多学科融合的深入推进，微滴技术必将在全球可持续发展进程中发挥更关键的作用，为人类社会提供更清洁的能源、更纯净的水资源。
参考文献：DOI: 10.1002/adma.202509486
顶旭微控产品（标准PDMS芯片）
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| 产品编号 | 外形 （mm） | 高度 （um） | 宽度 （um） | 厚度 （mm） | 芯片材质 | 价格 （CNY） |
| K0001 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0002 | 45*20 | 50 | 80&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0003 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0004 | 45*20 | 50 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0005 | 45*20 | 50 | 50&100&150 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0006 | 45*20 | 50 | 100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0007 | 75*25 | 100 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0008 | 52*25 | 100 | 100&150&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0009 | 35*24 | 100 | 100&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
订购方式
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