[01927356]电动微纳流控及检测

本项目属于微流体力学科学技术领域。项目面向多学科交叉背景下的MEMS 功能化电动微纳流体器件的共性基础科学问题，针对传统线性电动学导致的流速过低且不能规避电化学反应的自身缺陷，提出了非线性电动微纳流体力学的解决 方法，即一类电场作用于其自身诱导自由电荷从而驱动与电场平方成正比的流体 输运现象，形成了特色鲜明的电动微纳流体力学理论体系，并开展了面向应用的 MEMS 功能化微纳流体器件研究，为微纳流控系统中的精准电动流体调控与多 学科交叉应用奠定了基础。主要发现点如下：

（1）揭示了基于扩散电荷动力学的纳米尺度电荷分离与毫米尺度离子浓度 调控的微观机制，建立了考虑非线性扩散层电容和法拉第电化学反应的交流电渗 非线性物理模型，相对于传统线性模型，计算精度提高了近47%，为导电介质的 电动力学操控奠定了理论基础；

（2）提出了基于诱导电荷电渗的颗粒排布新方法，揭示了悬浮电极/电解液 界面的电化学离子弛豫机制，确立了流动场效应晶体管、旋转电渗、液滴导向电 渗等诱导电荷电渗的多种新型激发模式，开发了用于颗粒聚集、转动、轨迹调控 及微流体混合等多种功能化电动微流控器件；

（3）揭示了交流电场作用下高电导率微流体的电热驱动机理，建立了交流 电热的物理修正模型，提出了利用多频交流电热效应加速抗原-抗体结合效率的 新方法，研发了牛的副结核等疾病的早期快速检测 MEMS 器件，实现了几类动 物疾病的快速检测目标；

（4）建立了考虑诱导电荷电渗滑移和界面非线性电应力协同作用的流固耦 合模型，揭示了导电颗粒表面诱导偶极矩与双电层屏蔽的耦合作用关系，发现了 两面神颗粒的反常规非线性电动力学行为，搭建了基于偶极电极阵列的高通量微 流控介电泳胶体分离芯片；

（5）提出了基于低压交流电场的双乳液滴内核融合、释放等精准操控的新 方法，建立了诱导偶极子互动、切向电流体漩涡流动以及液滴电致变形三种电流 体动力学效应之间的平衡关系，实现了利用高通量液滴进行 RNA 病毒颗粒的定 量分析及检测；

（6）揭示了基于感应电荷电动现象的非线性电动纳米流体驱动机制，建立 了可极化纳米流道壁面/电解液界面的偶极电化学极化物理模型，完成了对离子 浓差极化系统中稀电解质离子传输的灵活控制，实现了场效应可重构的高通量微 /纳流体离子二极管整流功能；

（7）揭示了基于液态金属连续电润湿效应的两相流动力学行为机制，明确 了纳米尺度双电层充电与宏观尺度电毛细流动之间的跨尺度力学关系，利用镓基 液态金属精准驱动了含能离子液体，实现了离子推进器电推进供液功能，为航天 器系统结构设计提供新的思路。

本项目目前已发表学术论文63 篇，其中 SCI 检索论文 58 篇，获得发明专利 1 项，软件著作权 5 项。成果得到了包括诺贝尔奖获得者、美国科学院院士、中 组部万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者等国内外同行的高度 关注和认可。在流体力学著名期刊 Physics of Fluids 上发表 4 篇论文，1 篇论文 被遴选为 Small 封面，1 篇论文被遴选为 Lab on a Chip 封面文章，1 篇论文被遴 选为 Physics of Fluids 首页亮点论文，1 篇论文入选 2018 年 ESI 高被引(Top 1%)。 2015 年发表于 Soft Matter 的论文被国际学术媒体 Atlas of Science 进行了专访报 道。研究成果促进了电动微纳流控器件领域新理论、新技术的应用，取得了显著 的社会、经济效益。

主要创新点

（1）提出了利用液滴微流控技术进行 RNA 病毒粒子定量检测的新方法

本项目组开发了高通量皮升级液滴的快速生成微流控器件，提出了利用高通 量液滴与介电泳技术耦合进行病毒样本粒子的定量分析与综合检测新方法，设计 并搭建了百万量级的、高集成度的检测-分选微流控芯片系统，实现了超低浓度 病毒颗粒(100 万液滴中含有一个病毒粒子)的定量检测。

（2）基于交流电热效应研发了MEMS 快速免疫检测流体器件

将交流电热由传统物理学研究直接引入到应用生物医学免疫检测研究领域， 为血清中低浓度抗体的快速检测提供一种新方法。利用高电导率生物流体的焦耳 热效应，使血清在微通道中产生交流电热流动，促进血清中抗体的扩散，加快了 免疫反应的进行，将检测时间从传统的数小时缩短到几分钟。利用交流电热技术， 无需对血清进行高倍稀释，提高了检测效率，降低了成本，利用该项目研究成果 构建具有独立知识产权的微机电检测系统，实现低浓度抗体的快速在线检测。

（3）搭建了集成化微混合器系统并制备了单颗粒冷冻电镜样品

集成了微过滤器、微混合器、微反应器以及微喷雾器，从而使微流控芯片既 具有高效微混合的功能，又具有反应时间可控的特点。该系统能够将高效微混合(ms 量级)的反应溶液以喷雾的形式转移到冷冻电镜专用铜网上，实现了样品的高 效高速高质量制备。该系统制备的玻璃化冰层具有可控以及厚度高度一致的特点， 最终助力冷冻电镜重构出3.0 Å 蛋白结构，这是目前首次用微流控的方法实现的 高分辨率蛋白结构。该核心微流体器件被 2017 年诺贝尔化学奖得主 Joachim Frank 教授应用到了冷冻电镜样品制备中，使其分辨率提高了 17% 。同时，该反 应器已成功应用于营口理工大学的新型大学生化学实验，显著降低了危险及有毒 化学药品的使用剂量。