精確測(cè)量微流體流動(dòng)中的壓力對(duì)于流量控制、流體表征和監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，但也面臨著一些特定的挑戰(zhàn)，例如實(shí)現(xiàn)足夠的分辨率、非侵入性或易用性。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，來(lái)自巴黎文理研究大學(xué)（PSL University）和日本北海道大學(xué)（Hokkaido University）的研究人員共同設(shè)計(jì)了一種完全集成式多路復(fù)用光流控壓力傳感器，該傳感器與流路完全解耦，能夠在不改變流體幾何形狀的情況下沿著任意微流控通道進(jìn)行局部壓力測(cè)量。

傳感器的傳感機(jī)制在于水凝膠會(huì)在軟機(jī)械驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生壓縮，并且其顏色會(huì)隨著壓力的變化而變化。水凝膠與微通道中的循環(huán)流體之間由一層薄膜隔開(kāi)，因此可以不受限制地應(yīng)用于不同類(lèi)型流體的壓力測(cè)量。使用彩色攝像頭通過(guò)透明的PDMS對(duì)凝膠進(jìn)行成像，可以直接、簡(jiǎn)單、非接觸式地測(cè)定傳感位置的流體壓力，其檢測(cè)限低至20 mbar，分辨率約為10 mbar。該傳感器的靈敏度和可測(cè)量的壓力范圍可以通過(guò)調(diào)整傳感單元的機(jī)械特性進(jìn)行優(yōu)化。

此外，這種光子凝膠還可以充分利用響應(yīng)時(shí)間短和空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，來(lái)獲取二維（2D）壓力或形變圖。相關(guān)研究成果以“Color-switching hydrogels as integrated microfluidic pressure sensors”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

圖1 壓力傳感單元的總體設(shè)計(jì)

如圖1a、1b所示，壓力傳感單元由多層PDMS構(gòu)成。具體而言，傳感器由兩層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟光刻技術(shù)制成的模塑PDMS層組成，二者之間由一層PDMS薄膜隔開(kāi)。其中，上層包含一個(gè)壓力傳感腔，腔內(nèi)充滿(mǎn)待分析的壓力流體；底層包含一個(gè)封裝有光子水凝膠片的腔體。在該腔體中，水凝膠浸泡在緩沖水溶液中，腔體有一個(gè)入口和一個(gè)出口，用于更新緩沖液。腔體的尺寸略大于凝膠片，以使得水凝膠在被縱向壓縮的同時(shí)能夠橫向膨脹。要特別注意的是，水凝膠片的高度與腔體的高度需要相匹配，以避免凝膠出現(xiàn)預(yù)壓縮，從而使得壓力測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)偏移。

此外，水凝膠片被壓力傳感腔完全覆蓋。當(dāng)壓力傳感腔內(nèi)的壓力增大時(shí)，PDMS薄膜會(huì)發(fā)生變形，從而使得底層的凝膠被壓縮，凝膠的顏色隨之改變。在該傳感裝置中，這種顏色變化可以通過(guò)攝像頭對(duì)從傳感器上層反射出的光線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)察來(lái)獲得。如果將傳感單元置于黑色背景上，則可以提高顏色觀(guān)察的質(zhì)量。

圖2 微流控通道設(shè)計(jì)示意圖

圖3 2D壓力傳感

這種軟光子水凝膠具有層狀結(jié)構(gòu)，由嵌入軟水凝膠基質(zhì)中的薄而堅(jiān)硬的光反射雙層膜構(gòu)成。通常情況下，其層間距離與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相當(dāng)。因此，多層結(jié)構(gòu)可選擇性地衍射可見(jiàn)光，從而使其在反射性白光照射下呈現(xiàn)彩色。在被壓縮的情況下，凝膠的層間距會(huì)縮小，從而導(dǎo)致其顏色發(fā)生變化。具體而言，凝膠在未形變狀態(tài)下衍射的波長(zhǎng)較長(zhǎng)（橙色），而在壓縮狀態(tài)下衍射的波長(zhǎng)較短（逐漸變?yōu)樗{(lán)色）?？梢杂霉庾V儀測(cè)量每個(gè)壓力下的精確顏色響應(yīng)，即反射波長(zhǎng)尖峰分布的最大值（λmax）。

對(duì)于一般的壓力傳感應(yīng)用，使用光譜儀可能缺乏便利性，使用更簡(jiǎn)單的設(shè)備（如彩色攝像頭或光纖）來(lái)測(cè)量和量化凝膠的顏色變化將具有更大的實(shí)用價(jià)值。這可以通過(guò)將圖1c左列所示的彩色圖片轉(zhuǎn)換成右列所示的由色相值H映射的灰度強(qiáng)度圖（色相-飽和度-色相模型，通過(guò)圖像處理獲得）來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于衍射光是單色的，因此從攝像頭圖像中得出的H值可以很好地代表波長(zhǎng)。圖1d的插圖顯示了這一點(diǎn)，該插圖比較了用彩色攝像頭獲取的圖像計(jì)算出的H值和用光譜儀測(cè)得的最大反射波長(zhǎng)。從結(jié)果中可以看出，在480 ~ 540 nm范圍內(nèi)，H值隨著λmax的減小而減小，因此，本研究中通過(guò)攝像頭獲取的彩色圖像來(lái)量化凝膠的顏色響應(yīng)的簡(jiǎn)便策略是可行的。

綜上所述，該研究提出了一種基于在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的軟水凝膠顏色變化的新型壓力傳感器。這種傳感器的與眾不同之處在于，由于不會(huì)與傳感凝膠直接接觸，各種流體（液體和氣體）與該傳感器都具有良好的兼容性。此外，這種傳感器的固有設(shè)計(jì)確保了傳感系統(tǒng)內(nèi)不存在液體/氣體界面，從而避免了由于毛細(xì)管壓力躍遷而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。不過(guò)，這種傳感器的制造并不局限于使用該研究中提到的PDMS，也可以使用玻璃或其它類(lèi)型的聚合物材料制造。與此同時(shí)，將傳感單元與水凝膠隔開(kāi)的薄膜也可以用不同的材料代替，甚至可以使用薄金屬片，只要需要評(píng)估的預(yù)期范圍內(nèi)的壓力值足以使薄膜和凝膠系統(tǒng)發(fā)生形變即可。對(duì)于非透明膜，必須從含有凝膠的腔室下方觀(guān)察凝膠的變色情況，而不是像該研究中展示的從腔室上方進(jìn)行觀(guān)察。

此外，該研究設(shè)計(jì)的壓力傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)在微流控裝置中的應(yīng)用，還可插入任何流體回路中。對(duì)于精確度要求較低的應(yīng)用場(chǎng)景（例如在超過(guò)一定壓力閾值時(shí)發(fā)出警告信號(hào)），可以直接通過(guò)人眼進(jìn)行讀數(shù)?？傮w而言，空間分辨壓力測(cè)量為基礎(chǔ)研究或工業(yè)研究提供了多種可能性，如湍流或復(fù)雜流體流動(dòng)中的局部壓力測(cè)量、液滴生成、微反應(yīng)器、細(xì)胞生長(zhǎng)和形變、片上器官技術(shù)或醫(yī)療應(yīng)用，以及數(shù)值模型的驗(yàn)證。

審核編輯：黃飛

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