前沿丨铌酸锂基光伏微流体操控技术

技术特色

相比于传统微流控芯片中全电数字化的生物流体操控技术，铌酸锂基光伏操控既不需要外部电源供电也不需要复杂电极的制备，因此可以最大限度地避免外界通过供电通路和电极带来的对内部生物环境的污染和干扰。与传统的光镊操控相比，铌酸锂基光伏微流体操控具有以下技术优势：第一，本质上是一种空间静电作用，其作用力可达μN量级（远高于传统光镊pN级别的作用力），能够轻松克服微流体运动所涉及的表面张力、界面粘附力、流体黏滞力等阻力从而实现对微流体的高效操控。第二，光伏电荷场具有一定的作用范围，其可对该范围内微流体进行整体操控，并实现操控范围的光参量调控；第三，该光生电荷场属于弱光非线性光学效应，毫瓦级的低功率激光便可引起可观的电场用于微流体目标操控；第四，该光生电荷场可以被调控为一种非局域光响应，因此可用于光敏流体目标的非局域操控。

理论基础

铌酸锂的光伏效应是一种反常光生伏打效应。在光照下，铌酸锂Fe²⁺/³⁺中的电子被激发至导带，由于Fe²⁺/³⁺陷阱势垒的非对称性，电子微观上沿着晶体+c轴方向移动的概率较大，形成沿晶体-c轴的宏观电流，即光伏电流。掺铁铌酸锂晶片的c轴方向和光照方向的相对关系决定了光激载流子的积累方式，进而决定了铌酸锂光伏电场的构型。不同切割取向的晶体在激光辐照下电荷积聚及光伏电场的分布不同（见图1）。c切铌酸锂的电荷积聚在晶片的上下表面，因此光伏电场主要垂直于晶片表面；y切铌酸锂的电荷积聚在光照区的两侧，光伏电场主要平行于晶片表面。晶体表面的非均匀光伏静电场可用于微流体的操控。

微流体的静电作用机制主要包括介电泳作用、电润湿作用以及电渗作用。由于极化作用中性物质在非匀强电场中会受到力的作用而产生运动，称为介电泳作用。电润湿效应是液体在电场的作用下润湿性发生改变的现象，而非对称的接触角可产生静压力差从而使液滴运动。电渗是指在外加电场作用下，液体相对于静止不动的带电表面发生运动的现象。

发展历程和研究进展

铌酸锂基光伏操控技术最早源于对固态微颗粒的并行操控需要。南开大学最先在国内开展微颗粒的光伏操控研究，其团队在铌酸锂表面利用结构光场（干涉条纹）实现了金属颗粒的微米级周期分布（见图2）。铌酸锂表面产生的光伏静电场不但可以用于操控流体媒介中的微纳颗粒，也可以通过介电泳、电润湿及电渗效应对表面的两相或多相微流体进行操控。2015年，德国明斯特大学团队通过单层铌酸锂晶体衬底上的结构光预辐照写入空间电荷场实现了对介电微流体的排斥、吸引等作用（见图3）。但其系统本质上是一个被动的路由装置，而微流体的驱动需借助外部泵浦单元辅助完成。自2016年以来，河北工业大学团队开展基于聚焦光伏效应的微流体主动实时操控的研究，分别以介电液滴、水合液滴等微流体作为对象，研究了其在各类改性掺铁铌酸锂衬底上以及非对称铌酸锂夹层结构中的主动光伏操控行为和物理机制（见图4~7）。西班牙马德里自治大学团队于2019年开始致力于微液滴的聚焦光伏实时操控研究，其主要关注介电液体媒介中水合液滴的产生，以及液/气界面上水合微液滴的操控（见图8）。

由于大多数生物细胞必须生存在水合环境内，因而铌酸锂基水合微流体的聚焦光伏操控功能是非常重要的。传统的光伏操控一般基于非均匀电场下的介电泳机制。然而，由于水合液滴极性和导电性都较强，因而在空间电场的作用下通常会产生大量电荷，其会大幅屏蔽空间电荷场的作用，令基于介电泳机制的光伏操控失效。河北工业大学团队提出在铌酸锂表面引入合适的介质层可利用表面润湿和电渗作用对水合微流体进行稳定的光伏输运及分离操作（见图5~7）。该工作突破了传统借助介电泳力实现铌酸锂基光伏操控的思路，扩展出了利用表面润湿以及电渗作用进行铌酸锂基光伏操控的新途径。

该综述论文围绕上述铌酸锂基光伏操控技术的发展主线，详细介绍了近年来与微颗粒以及微流体光伏操控有关的研究工作及其技术特点。

未来展望

铌酸锂基光伏微流体操控技术具有实时性强、灵活度高等优点。该技术未来的研究方向主要有三个：(1)进一步提高微流体操控的分辨率。目前可有效操控的微流体尺寸一般在50微米以上，如何操控微米级尺寸流体是一个挑战。(2)与热释电微流体操控技术的协同。铌酸锂晶体在热刺激下可产生热释电荷，也可用于表面流体操控。因此，光热复合操控是一个值得进一步研究的方向。(3)光伏微流体操控的芯片集成技术。光伏微流体操控技术的成功应用离不开微流控芯片，因此如何在PDMS封装芯片中实现微流体的有效操控是该技术走出实验室的必由之路。铌酸锂基光伏微流体操控技术目前还不成熟，有待进一步完善，但该技术对未来生物光子芯片低消耗、高效率的各类生化检测的重要性不言而喻，对铌酸锂基生物光子芯片在制药、医疗和生物等领域的成熟应用具有重要意义。

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