液滴微流控技术通过精确控制微尺度流体，推动了生物医学诊断、单细胞分析和高通量筛选等领域的发展。液滴分裂是其核心功能之一，对于控制反应体积、浓度梯度和流体过程至关重要。尽管该技术应用广泛，但目前尚缺乏对微流控液滴分裂的系统性综述。

针对这一现状，近期有研究人员发表综述文章，系统梳理了微流体系统内液滴分裂的技术方法，将其分为被动分裂（依赖通道几何结构和流体动力学）与主动分裂（借助气动、声学、电动等外部力），并分析了各类方法的原理、特点及应用前景。相关研究成果以“Droplet splitting in microfluidics: A review”为题目发表于期刊《Physics of Fluids》。

本文要点：

1、本文综述了微流控技术中液滴分裂的研究进展。结合实验发现和理论模型，对现有液滴分裂方法进行了分类和评估。

2、液滴分裂主要受界面力、粘性力和惯性效应的影响，毛细管数（Ca）是定义其动力学的关键无量纲参数。

3、本综述将液滴分裂方法分为被动和主动两类，被动方法依赖于通道几何形状和流体动力学条件，主要包括T型结和Y型结；主动方法则通过外部力（如气动、声学、电、磁和热）实现可调的液滴控制。

4、本文还比较了不同方法的效率、选择性、可扩展性和能耗，指出被动方法简单稳健，而主动方法在实时应用中更具适应性。

5、目前存在精确体积控制、与自动化工作流程无缝集成及高通量重现性等挑战。未来应探索生物相容性驱动策略和兆赫兹频率分裂，以推动芯片实验室技术的发展。

一张图读懂全文

液滴分裂技术的应用领域有哪些？

液滴分裂技术如何突破高通量与高精度的矛盾？

图 1. 被动和主动液滴分裂方法分类。

图 2. 被动液滴分裂常用几何结构：(a) T 型结、(b) 任意角度结、(c) Y 型结、(d) 旁路通道、(e) 位于微流体流路上的障碍物。

图 3. (a)-(e) 在流体阻力相等条件下T 型结处对称液滴分裂的连续图像。(f)-(j) 侧通道长度不等导致流量分布失衡，产生非对称液滴分裂的连续图像。(k) 关联毛细管数（Ca）与液滴伸长量（ε₀）的状态图，显示非分裂与分裂状态的转变。(l) 微通道内障碍物的放置可根据其相对流路的位置实现对称或非对称液滴分裂。(m) 利用 3 个连续 T 型结将母液滴分裂为 8 个等大子液滴。(n) 角度结处非对称液滴分裂实验装置示意图，其中 β 表示侧通道与主通道的夹角，影响流量分布和分裂行为。(o)-(q) 液滴作用的结果，包括直接分裂（o）、不分裂（p）和延迟分裂（q）。(r)-(t) 对称 T 型结的分裂状态，包括不分裂（r）、隧穿分裂（s）和阻塞式分裂（t）。(u) 隧穿分裂状态的阶段，随着时间的推移显示挤压、过渡、夹断和线断裂阶段。

图 4. (a)-(c) 通道长度对多分叉通道中液滴分裂影响的图像。各图中标注了通道长度，结果显示所有 5 个通道的分裂不均匀，部分通道未发生分裂。(d) 多分叉通道中以 Ca 对初始液滴伸长量绘制的状态图，划分了不分裂、三液滴分裂和五液滴分裂状态。(e) 和 (f) 以毛细管数（Ca）和通道宽度比（β，侧通道宽度与主通道宽度之比）为变量的液滴分裂与非分裂行为状态图。插图为相应 Ca 值下过渡和分裂状态的代表性图像。(g) 利用 Y 型结进行液滴分裂的示意图，通过调节一侧分支的流量实现控制。(h) 代表微流体系统的流体动力学阻力网络。(i) 显示调节流量对子液滴体积比影响的图谱。(j)-(l) 不同调节流量条件下不同分裂比的图像。

图 5. (a) 存在障碍物时液滴分裂的速度、剪切应力和涡量等值线图（标注显示流动阻塞）。(b) 形成隧道时液滴分裂的速度、剪切应力和涡量等值线图（标注显示隧道辅助流路）。(c) 未形成隧道时液滴分裂的速度、剪切应力和涡量等值线图。(d) 尽管存在隧道但液滴未分裂情况下，剪切应力和涡量的时间演化。

图 6. (a) 不同层组成的多层阀的示意图。(b) 利用多层阀进行液滴分裂的微流体装置示意图。(c)-(h) 系统增加阀压力下各种液滴分裂模式的连续图像。(i) 利用多层阀设计的非对称液滴分裂微流控芯片示意图。(j)-(o) 阀压力变化对非对称液滴分裂的影响，显示液滴大小和分裂比的变化。

图 7. (a) Y 型结处采用单层微阀实现对称和非对称液滴分裂的示意图和实验图像。(b) 单层微阀在旁路通道入口处促进液滴分裂的示意图和实验结果。(c) 利用两个单层微阀在两个不同位置进行连续液滴分裂的示意图和实验图像。(d) 在单个芯片中利用 8 个单层微阀实现液滴生成、分裂和融合的集成系统。

图 8. (a) 利用微流体通道附近的叉指换能器（IDTs）产生表面声波（SAW）的示意图。SAW 以瑞利角（θᵣ）折射进入聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道，引发流体中的声流。(b) 芯片移液器（PoaCH）装置示意图，利用行波表面声波（TSAWs）控制旁路环处的选择性液滴分裂。(c) SAW 驱动功率与子液滴尺寸比的关系，实验图像显示不同功率水平下的分裂结果。(d) 斜指叉指换能器（SF-IDT）在油水流动系统中直接介导液滴分裂的设计示意图。(e) 集成 TSAW 的液滴分裂用于微粒按大小分离，显示由差异声力驱动的颗粒分选的俯视图和侧视图。

图 9. (a) 示意图和 (b) 实验图像说明利用体声波（BAW）的一次和二次谐波操控颗粒，将其导向压力节点或波腹，通过三叉结实现选择性分裂。(c) 利用 BAW 的基于液滴的颗粒富集和分裂系统示意图，突出显示液滴生成、颗粒操控和细胞分离的不同区域。(d) BAW 对具有正和负声学对比度颗粒的影响示意图，分别将其驱向通道中心（压力节点）或两侧（压力波腹）。液滴分裂将聚苯乙烯和 PDMS 颗粒分离到不同的子液滴中。

图 10. (a) 对称 T 型结处电中性液滴在施加电场后带电并随后分裂的示意图。(b) 通过介电润湿（EWOD）进行液滴分裂的连续过程，实现选择性微粒分离。(c) 在微流控芯片上利用负介电泳（nDEP）力在液滴内浓缩细胞和颗粒的示意图。(d) 结合正介电泳（pDEP）和负介电泳（nDEP）进行液滴分裂以分离哺乳动物细胞和细菌的示意图。

图 11. 用于颗粒分离的磁控和液滴分裂示意图。(a) 采用磁力通过 T 型结设计进行液滴操控和磁性颗粒分离的微流控装置。(b) 液滴生成结的放大图，其中包裹磁珠的液滴形成。(c) 液滴分裂部分的放大图，展示基于磁位移的分离。(d) 液滴内磁性颗粒的分布，显示磁体相对位置对颗粒浓度和分布的影响。(e) 用于前列腺特异性抗原（PSA）磁性免疫测定的微流控装置的光学俯视图，显示关键操作步骤：i— 引入样品和试剂以生成液滴；ii— 免疫反应，其中磁珠与 PSA 靶标结合；iii— 磁分离将结合珠的复合物驱向磁场；iv— 液滴分裂以分离结合靶标的复合物；v— 用于 PSA 定量的表面增强拉曼散射（SERS）检测。(f) 工作原理示意图，说明磁场如何引导珠的运动并促进选择性液滴分裂，以高效分离和检测 PSA 生物标志物。

图 12. 通过局部加热实现液滴分裂和分选的热控制。(a) 子液滴尺寸比随加热器温度的变化，表明温度超过 40°C 时诱导液滴分选，而低于 40°C 时促进热介导的液滴分裂。(b) 激光诱导加热下内部循环模式的实验可视化，显示液滴内外的热驱动流动动力学。(c) 预测液滴界面附近局部加热诱导的循环区的数值模型，与 (b) 中的实验观察结果对应。(d) 激光未启动时观察到的对称液滴分裂，母液滴均等地分裂为两个子液滴。(e) 激光启动诱导的非对称液滴分裂，其中热毛细力使液滴分裂偏向单个出口。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0267868

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