无针式液态金属嵌入式电喷雾沉积系统在可控微滴打印中的创新应用与性能研究

　　本文介绍了一种创新的液态金属嵌入式电喷雾沉积（LM-ESD）系统，该系统通过将液态金属电极集成于微流控芯片内部，实现了无外部电离组件的高稳定性微滴打印。该系统展现出优异的液滴均匀性、可重复操作性和系统集成度，在生物医学、药物递送及高通量分析领域具有重要应用潜力。

　　

引言

电喷雾技术作为一种利用强电场将液体分散成气溶胶微滴的重要技术，在生物医学、药物科学和材料科学领域具有广泛应用。传统电喷雾系统依赖外部电离组件和复杂系统设计，存在易堵塞、效率低和重现性差等问题。近年来，尽管出现了声波电喷雾、解吸电喷雾和激光烧蚀电喷雾等新技术，但多数系统仍依赖外部电极和针式分配器，限制了器件的微型化和系统集成。

系统设计与制备

本研究提出了一种液态金属嵌入式电喷雾沉积（LM-ESD）系统，采用微流控芯片内置液态金属电极的设计，消除了对外部电离硬件的需求。该系统利用微流控芯片的固有电场，简化了制备过程，降低了设计复杂性，并提高了系统效率。设备采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过标准光刻工艺制备，包含流动聚焦几何结构以实现可控液滴生成。出口处的PDMS层厚度控制在200μm以下以确保稳定的液滴喷射。

液滴特性与生成频率分析

通过调节油相和试剂相的压力比，系统能够精确控制液滴尺寸和生成频率。荧光显微镜观察显示，在50:44（油:R6G）压力比下，液滴直径为75μm，而在50:50压力比下增大至99μm。液滴长度随试剂压力增加而增加，从44mbar时的144±2.23μm到52mbar时的1047±31.42μm。液滴生成频率与体积之间存在反比关系，较高的试剂流量导致液滴体积增大而频率降低。

连续与液滴模式电喷雾比较

在单入口配置下，油相产生窄而准直的喷雾，而R6G溶液产生更宽的径向分散羽流。双入口操作时，喷雾形态呈现交替特征：直线段与油喷射相关，径向羽流表明液滴存在。时间推移图像显示液滴生成和喷雾发射之间的同步性，平均频率分别为2.3次/秒和2.4次/秒，表明液滴形成后立即被喷射，无时间延迟。

喷雾条件优化

系统性能受出口与基底距离、出口直径和施加电压等参数影响。喷雾角随距离增加而线性增大，而泰勒锥尺寸呈现非线性饱和行为。较小的喷嘴直径（20μm）通过增强电场局部化提高了系统稳定性。电压实验表明，低于4kV时无液滴喷射，4.5kV以上才能实现稳定可重复的液滴发射。

液滴阵列沉积表征

荧光显微镜确认形成了均匀的液滴阵列，平均直径约350μm。扫描电子显微镜（SEM）显示液滴边缘到中心的表面纹理差异。原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）分析显示边缘区域表面粗糙度（29.91nm）显著高于中心（14.31nm）和外部区域（4.36nm）。表面电位分布显示边缘和中心区域电位值相近，表明电荷与质量传输存在解耦现象。

拉曼光谱分析显示R6G的特征峰位于614、779、1356和1506cm^-1，其中1506cm^-1峰用于映射分析。三维拉曼强度图证实最大信号出现在液滴边缘，与咖啡环效应一致，表明溶质在溶剂蒸发过程中通过毛细流动向外迁移。

结论

LM-ESD系统成功实现了将液态金属电极集成于微流控芯片的紧凑高效阵列喷雾平台。该系统在纳升级尺度上表现出精确均匀的液滴生成能力，具有良好的重现性和操作稳定性。通过多种分析技术验证了液滴阵列的均匀性和稳定性，证明系统在精密应用中的可靠性。液态金属电极的使用显著提高了制备效率，无需多层光刻或键合步骤，通过直接注入预制备微通道的方式简化了制备过程同时保持了良好的电功能。