液滴批量化精确检测对于分析平台的并行化和微小型化具有重要意义，在有害物质识别、微环境模拟、病毒初筛和研究、合成化学等领域具有广阔的应用前景。然而，液滴蒸发制约了检测时效和精度。以往方案（如增加专用设备或将装置浸入油池）会严重增加复杂性或导致交叉污染。如何获得相互独立、没有交叉污染风险的液滴阵列，同时避免液滴快速蒸发造成的检测失效，仍然具有相当大的挑战性。
近日，浙江工业大学机械工程学院焦龙校聘副教授、胡艳军教授受马赛克壁画艺术理念的启发，通过仿生表面和微拼接技术发明了一种使用马赛克图案化表面生成相互独立且难挥发的胶囊液滴阵列的方法。
研究者提出将微小气密层和超双疏、超疏水表面拼接，形成马赛克图案化表面，为液滴阵列提供相互独立的油滴防护层和气密性元件以获得难挥发的胶囊液滴阵列，如图1所示。马赛克图案化表面结合了具有不同润湿性和微介观结构的基底材料，其概念类似于马赛克壁画，即通过小块基础单元的拼接获得整体的卓越功能。这种液滴阵列避免了交叉污染，并且具有极佳的可扩展性、可访问性和可寻址性。
马赛克图案化表面的设计和稳定胶囊液滴阵列的形成
超疏水亲油区域束缚的油层能够阻隔液滴上部界面向周围环境的蒸发。然而，由于仿生表面存在微纳孔隙通道，液滴底部界面也存在微弱蒸发。在本文方法中，底部镶嵌的微小气密层阻隔了蒸汽渗透到微纳孔隙中。同时，气密层的适当高度避免了液体与周围微纳孔隙的侧面接触。因此，镶嵌的气密层作为一个不可穿透屏障，阻止了液滴底部界面的蒸发。
基于多级润湿性和气密层微介观结构的蒸发抑制原理分析
通过镶嵌图案设计可以改变胶囊液滴的排列、形状和大小，以适用不同的检测窗口，如图3所示。在1元硬币大小的表面上，可以制造9个独立的液滴存储单元。该表面适用于多种液体（如水、胶体溶液、磁流体、酸碱等），并且具有宽泛的体积适用范围。
马赛克图案化表面上不同排列、形状、成分、体积的胶囊液滴
马赛克图案化表面被应用于精确检测镍离子污染物。经过8天，检测误差小于2.1 %。而对照组（非马赛克图案化表面上的油包液滴）经过36小时，误差即达到100 %，经过8天，误差达到170 %。此外，马赛克图案化表面可以稳定存储COVID-19抗原试剂，用于病毒研究和药物测试。该表面能够精确、分类存储和检测多种生化试剂，为功能表面和微流控芯片设计提供新方法。
微量重金属离子检测和COVID-19抗原分装存储
上述研究成果以“Mosaic Patterned Surfaces toward Generating Hardly-Volatile Capsular Droplet Arrays for High-Precision Droplet-Based Storage and Detection”为题发表于《Small》（IF: 15.153）期刊上。浙江工业大学机械工程学院焦龙校聘副教授为论文第一作者，研究生吴艺潇为第二作者，浙江工业大学机械工程学院胡艳军教授和大连理工大学能源与动力工程学院李林副教授为共同通讯作者。上述研究获得国家自然科学基金（No. 52006195）、浙江省自然科学基金（No.LQ21E060007）、浙江省博士后科研项目（No. 304920）、浙江工业大学交叉科学研究基金（No. 2022JCY07）和浙江特富发展股份有限公司资助。
论文信息
Long Jiao, Yixiao Wu, Yanjun Hu*, Qianqian Guo, Huaping Wu, Huiyao Yu, Longqiang Deng, Dongliang Li, Lin Li*. “Mosaic Patterned Surfaces toward Generating Hardly‐Volatile Capsular Droplet Arrays for High‐Precision Droplet‐Based Storage and Detection.” Small (2023): 2206274.
全文链接
https://doi.org/10.1002/smll.202206274
