1 引言
20世纪二三十年代,以微反应为基础的微化学研究开始得到广泛关注[1]。1923年,来自奥地利的Fritz Pregl因在无机化学微分析方面的研究获得了诺贝尔化学奖;1935年,美国微化学协会正式成立。时至今日,微反应体系除了用于化学操控和分析,在材料、生物、医学等领域也得到了广泛应用。与基于烧杯、烧瓶等大尺寸容器的反应系统相比,微反应体系有很多优点,例如,所需试剂与能量更少,产生的有毒和有害物质更少,比表面积更大,传热传质更快,对反应的控制可以更精确等[2⇓⇓~5]。通常而言,微反应体系由容纳微流体的固体微管道系统,即微反应器为核心部件。随着非浸润现象研究的发展,人们发现,形状为类球形的液滴系统也可以用于微反应。由于不需要常规固体器壁约束,这些系统可以称其为自支撑的液体微反应器。其中,超疏水表面上的球形液滴微反应器已在化学反应、细胞培养等领域得到了成功应用[6⇓~8]。与一般表面上呈浸润态的球冠形液滴相比,非浸润态球形液滴可以很好地避免液体反应物和产物在运输过程中的质量损耗,也可以在很大程度上避免液体中的颗粒在基底上淤积。然而,直接暴露在空气中的球形液滴(裸液滴)在实际应用中会面临很多问题,例如蒸发过快导致寿命较短,长时间固液接触导致非浸润态被破坏,等等。
2001年,Nature期刊报道了一种表面附着疏水颗粒的球形液滴——液体弹珠(liquid marble,LM)[9]。表面颗粒壳作为内部液滴的“铠甲”可以起到阻隔作用,使得液滴无法与基底直接接触,因此,液体弹珠可以在任意固体表面保持非浸润状态,甚至可以在液体表面稳定漂浮[10⇓~12]。相比于裸液滴而言,液体弹珠作为微反应器具有很多优势。在制备方面,球形裸液滴的形成需要先获得超疏水表面,而超疏水表面的制备较为复杂。相比之下,要获得液体弹珠,只需在任意基底上铺一层疏水性粉末并令液滴在上面来回滚动即可。在稳定性方面,液体弹珠即便长时间放置也不会浸润基底,此外,表面附着的颗粒有可能起到减缓液滴蒸发的作用[13]。更重要的是,表面颗粒还可以赋予液滴体系更多的功能性和可操作性,由此,人们制备出了磁响应弹珠[14⇓~16]、光响应弹珠[17⇓~19]、酸碱指示弹珠等应激性液体弹珠[20⇓⇓~23],大大拓宽了液滴体系的应用范围。近二十年来,液体弹珠被应用于多个研究领域[24],包括细胞培养[25⇓~27]、传感器[28⇓⇓⇓~32]、材料制备[33]、黏性物质存储[34],等等。此外,在与界面和液滴有关的基础研究领域,液体弹珠的使用还增加了人们对有效表面张力[11,35⇓⇓~38]和液滴弹跳动力学[39,40]等问题的认识。
然而,尽管液体弹珠有多方面的应用价值,其局限性也不可忽视。例如,类球形的单一形状往往会限制实验手段和功能设计。其实,就形状细节而言,即便不考虑颗粒附着引起的表面毛糙,液体弹珠的轮廓也常常偏离对称、流畅的类球形,并在局部呈现出尖锐的转角和直线线型(图1 -a)[38],但是这类形状偏差基本上不会对具体应用产生影响,因此,该现象及相关机制在很长时间内没有引起人们的关注。事实上,颗粒在流体界面附着并引起界面变形的现象,不只出现在液体弹珠这种具有气-液界面的液滴体系中。早在2005年,Subramaniam等就发现,当气泡或水中的油滴被颗粒包裹时,通过增加颗粒堆积密度产生界面堵塞,可以使气泡或油滴呈现出稳定的复杂形状(图1 -b)[41]。界面堵塞可以引起界面形变,这也是液体弹珠产生形状偏差的原因。液体弹珠在制备和蒸发过程中很容易发生随机性的界面堵塞,堵塞状态下,颗粒无法移动,弹珠表面失去了流动性,产生了刚性,因此会产生并维持尖端、直线等固体形态特征。如上文所言,这类局部形态特征在应用层面并不重要,然而,理解了固体特征的出现在于界面堵塞,使得人们开始有意识地利用界面堵塞来实现整体性的复杂形状设计。
图1 (a) 由聚四氟乙烯粉末制备的液体弹珠[38];(b) 利用界面颗粒堵塞得到的非球形气泡 (i) 和油滴 (ii)[41];(c) 利用液体弹珠凝并得到的哑铃形液体橡皮泥[42];(d) 利用镀膜工具挤压液滴得到的液体橡皮泥[43];(e) 诱导液体橡皮泥凝并的过程;(f) 基于多重凝并拼接而得到的复杂形状液体橡皮泥[44]Fig. 1 (a) Image of a polytetrafluoroethylene LM[38]; (b) Non-spherical bubble (i) and oil droplet-in-water (ii) obtained by interfacial jamming[41]; (c) A dumbbell-shaped LP produced by coalescing two LMs[42]; (d) LPs produced by squeezing particles onto droplet surfaces[43]; (e) A typical process for coalescing two LPs; (f) Demonstration of LPs produced by the coalescence-based joining strategy[44] |
2013年,赵远锦等报导两个液体弹珠可通过碰撞凝并而产生界面堵塞,从而形成哑铃形的复杂液体(图1 -c)[42],这大概是从常规粉末液体弹珠出发进行液体塑形研究的发端。然而,在接下来的三四年间,几乎没有延续这一方向的研究报导。在今天看来,这主要是因为利用常见的大尺寸粉末颗粒进行液体塑形难度很大,而不能任意、精确地塑形意味着缺少实用价值。不过,粉末颗粒并不是实现液体塑形的唯一选择。同在2013年,李晓光等报导了一种以超疏水薄膜为工具,通过挤压、摩擦裸液滴而实现液体塑形的现象(图1 -d)[43],并在后来的研究中阐明了该现象的成因在于薄膜最外层颗粒转移到了液滴表面并发生了界面堵塞[44]。由于转移到液滴表面的颗粒壳是由尺寸仅为~20 nm的单层颗粒组成,这为精确塑形奠定了基础,也使得变形液滴的透明度和观感十分接近纯液体。此外,尺寸如此之小严重削弱了颗粒的屏蔽作用,这使得两个变形液滴即便在缓慢靠近对方时也容易发生凝并(图1 -e)。利用这一特性,本课题组建立了基于“拼接”策略的液体塑形技术,实现了液体形状的任意设计(图1 -f),并提出了“液体橡皮泥”(Liquid Plasticine,LP)的概念用于命名所得到的复杂形状液体[44]。在此之后又围绕液体橡皮泥的制备、特性和功能应用展开了系列研究,建立了基于“分割”策略的液体精确塑形方法[45],设计了能反应气体扩散速率的液体橡皮泥传感器[46],构建了小型化、多功能的液体橡皮泥蛋白质分析平台[47]。与此同时,越来越多的研究人员开始关注这一方向,他们一方面延续了这种以超疏水薄膜为颗粒源的单层纳米颗粒结构液体橡皮泥的制备路线[48],另一方面致力于利用粉末等更为容易获得的颗粒源来制备液体橡皮泥。目前报导的颗粒源主要有纳米级二氧化硅粉末[49]、微米级硬脂酸粉末[50]、微米级单质硫粉末[51]以及毫米级聚合物薄片堆[52,53]。
需要指出的是,在关于液体塑形的文献报导中,存在着概念使用不一致的问题。由于液体橡皮泥与液体弹珠都是表面附着颗粒的复杂液体,而人们对液体弹珠的研究更早更广泛,因此有些研究人员将液体橡皮泥看作液体弹珠的一种,并直接将其称为液体弹珠,或者在“液体弹珠”前加上一些关于形状的修饰词。然而,细究液体弹珠的概念可以发现,将液体橡皮泥称作液体弹珠或特定形态的液体弹珠在表意上是矛盾的。人们很熟悉液体弹珠的核心特征——空气环境中被颗粒包裹的液滴,但很少考虑这个名称之由来。2001年以“Liquid Marbles”为题发表的论文首次提出了液体弹珠的概念,在提出该概念时明确说明所采用的液滴体积为1~10 μL[9]。在这个体积范围内,非浸润液滴的形状几乎不受重力影响而呈现为球形。由此可以判断,作者使用“弹珠”(marble)一词正是考虑了球形的因素。随着体积增加,“液体弹珠”的形状会变扁,但依然与球形类似,因此基于简单化原则将其继续称为液体弹珠也是合理的。不过,早有人意识到了这个形状问题,并使用“liquid puddle”(液体水坑)替代“liquid marble”[54,55]来描述体积大到液滴上部的曲率远小于两侧曲率时的颗粒-液滴体系。相反的,当液体弹珠的尺寸减小到微米尺度并大量堆积,形成含水量极高且具有良好流动性的粉末时,人们习惯用“干水”(dry water)来命名这种微型液体弹珠集群。关于干水,其技术萌芽于上世纪60年代,正式命名于70年代(远早于液体弹珠),目前已在化妆品、灭火剂等领域得到了实际应用,关于其历史和发展现状可参阅近期综述[56,57]。
以上事实表明,即便事物的结构本质相同,当其特征明显不同时进行区别化命名,是在追求严谨的科学理念驱动下的普遍现象。相比于体积主导的扁球形体系,具有复杂形状的液体体系与“液体弹珠”一词的球形内涵更加矛盾,而“液体橡皮泥”则可以很好地反映形状的复杂性和可塑性。因此,我们认为,将“液体弹珠”和“液体橡皮泥”两个概念区分开来使用是必要的。需要补充说明的是,对于一些形状复杂或尺寸很大的液体橡皮泥,用“液滴体系”或“复杂液滴”来描述也是不恰当的,因为“滴”字本身也蕴含了特定的形状因素,为此,本文在相应的地方用“液体体系”或“复杂液体”进行描述。
鉴于液体橡皮泥技术的建立和发展主要是基于单层纳米颗粒结构液体体系,同时,这种体系的液体橡皮泥在透明度、制备的容易程度以及塑形的精确度方面具有明显优势,下文将从单层纳米颗粒结构液体橡皮泥和其他类型液体橡皮泥两个方面进行综述。
2 单层纳米颗粒结构(mNPc)液体橡皮泥
2.1 单层纳米颗粒覆盖的液面
液体橡皮泥形成的根本原因在于表面固化,而表面固化通常由颗粒堵塞导致。显然,颗粒尺寸越小,液体表面就越光滑,形状塑造就越精确。作为最常用的颗粒源,粉末天然存在一个问题——颗粒团聚,而且颗粒越小,团聚程度越大,粒径也越不均匀。因此,尽管由纳米颗粒组成的粉末的平均粒径小于微米颗粒粉末,但大体上只能达到亚微米水平,这导致即便使用初始粒径最小的粉末源纳米颗粒来包覆液滴,形成的复合界面还是有很大的粗糙度[58],这从环境扫描电镜图片中可以看出(图2 -a)。而以弱结合力超疏水薄膜为颗粒源,则可实现单层纳米颗粒转移,从而将空气环境中液滴表面可附着颗粒的尺寸直接推进到20 nm的水平,这为获得复杂、精确的液体形状奠定了重要基础。值得一提的是,由于尺寸太小,即便利用环境扫描电镜也无法观察到颗粒[59],而只能看到颗粒堵塞引起的褶皱(图2 -b),这与源自粉末的纳米颗粒覆盖的液面形成了鲜明对比。
2.2 mNPc液体橡皮泥的制备及原理
作者在2013年的报导中不仅演示了利用镀薄工具挤压裸液滴可以使其产生永久形变(图1 -d),还演示了变形液滴在拨、挑、摩擦等操作下会发生进一步形变(图3 a,b)。这种基于单个液滴的液体塑形是液体橡皮泥技术的萌芽,但在那时,并没有弄清液滴变形的机理[43]。通过合作研究,作者在2016年的报导中阐明了这一现象的成因——在挤压过程中,薄膜表面的最外层颗粒转移到了液滴表面并发生了界面堵塞[44]。之所以会发生单层颗粒转移,是因为这种溶胶-凝胶薄膜的最外层和次外层颗粒间的结合力非常弱,这是蒸发诱导成膜过程中的界面效应决定的。之所以会发生界面堵塞,是因为在撤掉压力的过程中,液滴在表面张力的作用下回缩,表面积减小,从而使得转移到液滴表面的颗粒的堆积密度变大,当密度大到一定程度时表面就呈现出了堵塞态(图3 -c)。在该报导中,这种通过挤压来实现颗粒转移并引发液滴变形的方法被正式命名为压印法(Imprinting method)。
图3 (a)通过局部挤压使液体橡皮泥进一步形变的过程;(b) 经多次挤压、摩擦而得到的典型液体橡皮泥[43];(c) 挤压液滴引起的单层颗粒转移以及界面堵塞示意图;(d)利用激光共聚焦技术观察到的液体橡皮泥表面,其中蓝色部分为颗粒;(e) 液体表面两个颗粒之间的相互作用能与颗粒间距的关系,其中α = h/2r; (f) 注液、抽液引起的液滴形态演变[44]。Fig. 3 (a) Shaping a LP by local squeezing; (b) Typical LPs obtained by multiple squeezing and rubbing[43]; (c) Schematic of transfer and jamming of monolayer NPs by squeezing; (d) Laser confocal image of a LP surface with the blue areas representing NPs. (e) Interaction energy between two NPs on liquid surface versus their distance, where α = h/2r; (f) Liquid addition and extraction-induced evolutions of droplet shape[44] |
需要指出的是,液滴要发生稳定形变并不需要整个表面布满颗粒,局部堵塞即可引起变形,这一点可以由一些典型的液滴形状反映出来,例如,图3 a,b中的液滴虽然呈现出明显的非球形,但局部依然保持着裸液滴的形状特征。作者2016年的报导给出了更为直观的证据,该工作采用激光共聚焦技术解决了液面上的颗粒因太小而难以观测的问题,并发现在变形液滴的表面常会有裸露区域(图3 -d),由此直接证实了局部堵塞即可引起液滴形变。此外,该工作还通过力学和能量分析解释了为什么在外围区域空旷的情况下局部堵塞的颗粒不会彼此分开。简言之,液面上的两个纳米颗粒间的相互作用主要由范德华引力和静电斥力决定,并在颗粒间距为几个纳米时存在能量势垒(图3 -e)。这意味着当颗粒间距因液面回缩而减小至势垒位置左侧时,两个颗粒就很难再分开[44]。
对液滴变形机理的深刻理解推动了对单个液滴形态的调控,也开启了基于多个液滴的液体塑形研究。具体体现为发现了单个液滴表面的堵塞程度和形状特征可以通过注液/抽液来调节(图3 -f),以及多个变形液滴在凝并时会因联接部位颗粒密度足够大而抑制液体流动,从而使得融和体能够体现出各个原始液滴的形状(图1 -f)。正是这些发现,促成了基于拼接法的液体塑形技术的建立以及液体橡皮泥概念的提出。
随后,mNPc液体橡皮泥的制备途径又因“分割法”的建立[45]而得以完善。相对于拼接法的由小变大过程,分割法的过程特点是由大变小。具体说来,先在培养皿等容器内沉积弱结合力超疏水薄膜,再将大体积(通常为毫升量级)液体倒入其中形成液饼,随后晃动液饼。在晃动时,由于液饼与基底之间的黏滞力较大,因此液饼在晃动的过程中会发生形变,表面积增加。停止晃动后,液饼在表面张力的作用下回缩,表面积减小,从而导致在晃动过程中转移到液饼表面的颗粒发生堵塞(图4 -a),这时便可利用疏水性工具如塑料滴管、铅笔芯等,依照目标形状对液饼进行分割塑形(图4 b-c)。由于与基底接触面积大,表面又因颗粒堵塞而产生细密褶皱,此时的液饼在疏水工具划过时因较大的静摩擦力而几乎不发生移动,这为精确、快速塑形提供了重要保障。如果从堵塞态液饼中抽出部分液体以增强表面堵塞程度,则更有利于后续塑形[45],虽然这样得到的液体橡皮泥高度和透明度较低,表面也不够圆滑,但可通过后续加液的方式来进行形状和透明度的优化(图4 -d)。
图4 (a) 液饼表面堵塞前后形态变化;五角星形液体橡皮泥制备过程示意图 (b) 及产品实物图 (c);(d) 环形液体橡皮泥在加液过程中的形态演变;(e) 复杂汉字型液体橡皮泥;(f) 由若干个堵塞态液饼拼接得到的超大尺寸液饼 (i),以及通过对该液饼塑形得到的管道网络型液体橡皮泥 (ii)[45]Fig. 4 (a) Shape change of a liquid pancake induced by surface jamming; Schematic illustrating the cutting strategy for liquid shaping (b) and real image of a star-shaped LP (c); (d) Shape evolution of a ring-shaped LP during liquid addition; (e) A Chinese character dragon-shaped LP; (f) A large pancake produced by joining several jammed pancakes (i), and the resulting network-shaped LP (ii)[45] |
考虑到堵塞态液饼可以作为复杂形状液体橡皮泥的母体,我们认为有必要特称其为饼形液体橡皮泥。若从饼形液体橡皮泥出发,将拼接法和分割法结合起来,则十分有利于大尺寸的复杂形状液体橡皮泥的构建(图4 e,f)。
以上便是mNPc液体橡皮泥的制备思路、方法和原理。这类液体橡皮泥的形成前提在于弱结合力超疏水薄膜的使用。目前,由若干层SiO2纳米颗粒堆积而成的弱结合力超疏水薄膜是唯一能用于制备mNPc液体橡皮泥的颗粒源。这种薄膜可沉积在玻璃、塑料等多种材质表面,由溶胶-凝胶法制备,其制备的关键在于单分散溶胶体系的配制[60,61]。在适当配比条件下,向Stöber法制备的SiO2溶胶中添加六甲基二硅氮烷(HMDS),使得溶胶中的SiO2纳米颗粒被充分烷基化并避免彼此交联,这是配制这种溶胶的核心环节。最近,Kano等在HMDS修饰的基础上又向溶胶中添加了含有叔胺基团的硅烷偶联剂[48],最终形成的薄膜虽然没有达到超疏水,但也具有颗粒转移特性,而且SiO2纳米颗粒表面的叔胺基在酸性条件下可以发生质子化,使得颗粒亲水性增强并浸没到液体内部,由此,他们制备出了能够做出pH响应的mNPc液体橡皮泥(图5 )。从该工作可以看出,用于制备mNPc液体橡皮泥的纳米颗粒膜具有一定的性能调控空间,如果这种薄膜颗粒源在组成成分方面能有更大的变化,那么mNPc液体橡皮泥的种类和功能将有望得到更大程度的拓展。
2.3 mNPc液体橡皮泥的应用
与裸液滴和液体弹珠一样,液体橡皮泥的功能开发主要基于自支撑的液体容器这一属性。与类球形液滴和液体弹珠相比,液体橡皮泥的尺寸往往要大很多,但其高度受重力限制通常不超过5 mm,所以我们认为,将液体橡皮泥视作微容器或微反应器,还是只将其视作自支撑的液体容器而不强调“微”字,应该根据具体情况而定。意识到这个问题,有助于在应用探索中既能很好地借鉴微反应器的研究成果,又不至于被微反应这一概念所束缚。作为新兴事物,液体橡皮泥的应用探索还在起步阶段。其中,mNPc液体橡皮泥最早的功能开发,也是液体橡皮泥领域最早的应用探索,指向是物质输运和化学反应[44],其目的是通过简单的现象展示一些基本功能和特性。随后,mNPc液体橡皮泥又在环境气体检测[46]和蛋白质分析[47]方面得以具体应用。下文将围绕这些应用研究进行概述。
2.3.1 纳米金的电泳
在物质输运应用上的初步探索,主要展示了液体橡皮泥可以作为自支撑的液体管道用于电泳实验[44]。在该研究中,首先将纳米金的水溶液制成“U”(图6 -a)或“一”(图6 -b)形液体橡皮泥,然后在其两端插入电极。通电后发现,正极附近的液体逐渐变黑,这说明溶液中带负电的纳米金颗粒在向正极流动并发生聚集。该电泳现象意味着具有管道结构的液体橡皮泥可以像固体管道一样实现物质输运。不仅如此,液体橡皮泥管道还可以被轻易地切分成两部分,同时里面的液体不会流出,实现“抽刀断水水不流”的效果,这是常规固体管道难以实现的。
2.3.2 低速化学微反应器
在化学应用上的初步探索,主要展示了液体橡皮泥作为管道型微反应器可以实现低速、可控的化学反应[44]。在该研究中,首先将FeCl3和NaOH溶液分别制成液体橡皮泥,随后使之凝并形成“Z”形液体橡皮泥(图6 -c)。凝并后,连接处附近呈现出褐色,说明生成了Fe(OH)3。在这之后,颜色变化只向FeCl3一侧缓慢推进,这是因为诱导凝并的外力只作用在NaOH液体橡皮泥上,力的方向决定了凝并后的液体流向。需要强调的是,这里的化学反应推进得很慢,原因主要归结于两点,一是在表面颗粒的束缚下液体橡皮泥的凝并过程没有产生剧烈振荡,二是狭长的形状使得内部物质的扩散和混合较慢。液体橡皮泥中化学反应有效速率较低且方向可控的特性有望在化学分析、材料合成等领域发挥重要作用。
2.3.3 多功能气体传感器
与液体弹珠一样,液体橡皮泥表面的颗粒壳无法阻挡气体进出,基于此,液体橡皮泥被成功应用于气体传感[46],并相比于液体弹珠表现出了更多的功能特性。具体说来,该工作将酚酞溶液制成长条形液体橡皮泥(图7 -a),通过其颜色变化获得了氨气扩散行为的相关信息。首先,在靠近液体橡皮泥端点的位置注入一滴氨水(图7 -b),随后立即观察到颜色在液体橡皮泥的一端产生,并沿着长度方向蔓延,速率先快后慢(图7 c,d)。通过测量颜色前沿的行进速度即可知挥发出的氨气在这一方向的扩散速度,再结合菲克第二定律对扩散过程进行模拟即可知颜色前沿所反映的氨气浓度(图7 -e)。相比之下,液体弹珠受限于形状特征,只能用于反映待测气体存在于否[30⇓~32]。如果将液体弹珠看作零维器件,那么条形液体橡皮泥可看作一维器件,复杂形状液体橡皮泥则可看作二维器件,增加的维度为功能的拓展奠定了基础。
图7 (a) 由酚酞溶液制成的条形液体橡皮泥;(b) 加入氨水液滴后的最终现象;(c) 不同氨水体积条件下液体橡皮泥颜色随氨气挥发时间的演变;(d) 颜色前沿的行进速度;(e) 氨气扩散速度拟合曲线及拟合得到的扩散前沿浓度c0[46]Fig. 7 (a) Rod-shaped mNPc LP consisting of phenolphthalein; (b) The final phenomenon after introducing an ammonia droplet; (c) The color evolution of the LP versus the volatilization time of ammonia gas; (d) The forward velocity of the color frontier; (e) The fitting curve of velocity and the fitted gas concentration at the color frontier[46] |
2.3.4 蛋白质分离、分析平台
就目前而言,液体橡皮泥最具实用价值的应用体现在生物医学领域。李菲等与本课题组合作将液体橡皮泥与等电聚焦技术结合,成功实现了蛋白质的分离与分析,并展示了这一系统的诸多优点[47]。蛋白分离属于蛋白分析的预处理环节,传统的蛋白分离技术依赖大型设备,而且分离后的蛋白收集以及后续的分析操作也比较复杂,难以满足随时随地快速检测的需求。相比之下,液体橡皮泥-等电聚焦(LP-IEF)蛋白质分析平台具有小型化、易携带、易操作和成本低的优点。具体说来,首先将含有待分析蛋白、两性电解质、羟乙基纤维素的溶液制成条形液体橡皮泥,然后在长度方向的两侧利用磷酸和氢氧化纳溶液制成方形液体橡皮泥,最后通过凝并获得船桨形液体橡皮泥(图8 -a)。将该液体橡皮泥的两端与一节电池相连,即可在中间的管道部分产生pH梯度,而具有不同等电点的蛋白质则会聚集在管道中的不同位置,从而实现不同种类蛋白质的分离和富集(图8 b,c)。mNPc液体橡皮泥的高透明性使得操作人员能够对内部现象进行肉眼观察,而可切割性和开放性为后续分析提供了巨大便利。在完成蛋白分离后,利用可切割性可以将液体橡皮泥管道转化为若干个只含有一种蛋白质的液体弹珠;开放性则使得注射器可以轻易插入到液体弹珠/液体橡皮泥中进行物质添加和蛋白提取(图8 -d),从而使蛋白分析的上游环节变得简单、高效。
图8 (a) 液体橡皮泥-等电聚焦蛋白分析系统;(b) 蛋白分离示意图;(c) 蛋白分离后成像时的颜色分布;(d) 切割液体橡皮泥得到液体弹珠以及从液体弹珠中加入或提取物质的实例[47]Fig. 8 (a) LP-Isoelectrofocusing (IEF) system for protein analysis; (b) Schematic for protein separation; (c) Color distribution after protein separation; (d) LP-derived LMs and available manipulations for subsequent analysis[47] |
在该研究中,还结合不同分析方法验证了LP-IEF体系用于蛋白分析的可靠性和有效性。例如,通过与比色法相结合,实现了对糖尿病患者尿液中微量白蛋白的定量分析,测量结果与常规临床免疫比浊法相比偏差小于9.4%;通过与基质辅助激光解析电离飞行时间质谱法相结合,实现了对尿液样本中的糖尿病标志物(α-1-微球蛋白/比库宁前体)的成功鉴定[47]。该研究首次展示了液体橡皮泥在生物医学领域的应用价值和独特优势,也为如何挖掘液体橡皮泥的应用潜力并使其实用化提供了重要参考。
3 其他类型液体橡皮泥
3.1 纳米级粉末颗粒包裹的液体橡皮泥
粉末是最容易获得的颗粒源,但由于尺寸较大等原因,利用粉末颗粒来实现可控的、精确的液体塑形并不容易。在mNPc液体橡皮泥初期研究工作[43,44]的启发下,刘建林等找到了一种解决该问题的方法[49]。他们选择由疏水SiO2纳米颗粒组成的粉末为颗粒源,首先制备出液体弹珠,然后从中抽取90%以上的液体以实现有效界面堵塞,在此基础上成功构建了不同形状的液体橡皮泥(图9 )。需要强调的是,粉末中的纳米颗粒是以不均匀的团聚体形式存在,这使得所形成的液体弹珠表面的颗粒排布很不均匀。另外,我们在重复该实验时发现,在抽液过程中液体弹珠表面常常会有颗粒脱落。这些现象或许可以解释为什么需要抽取如此多的液体才能产生足够高的堵塞程度以实现可塑性。从结果来看,虽然这种粉末源液体橡皮泥的形状精确度和透明度比不上mNPc液体橡皮泥,但应该足以满足很多应用需求。
3.2 单层毫米级多边形薄片包裹的液体橡皮泥
目前关于液体弹珠和液体橡皮泥的报导中,液滴/液体表面的颗粒尺寸基本都在微/纳米量级,颗粒形状也多为立体构型。由蜡烛灰涂层制备的液体弹珠表面颗粒为片状,不过尺寸也主要分布在微米量级而且很不均匀[12]。最近,Fujii等发现,利用毫米级多边形薄片(材质为疏水处理过的对苯二酸酯)也可以包裹住液滴,从而获得了多面体液体弹珠(图10 -a);不仅如此,还发现这种可以单层吸附在液滴表面的多边形薄片极易发生界面堵塞,并且尺寸越大越易堵塞,由此,他们成功实现了液体橡皮泥的制备[52,53]。例如,令水滴在长达2.48 mm的六边形薄片堆上来回滚动,几秒钟内水滴就会在所吸附的表面薄片的束缚下变成不均匀的长条形,以此为结构单元,通过拼接即可得到复杂形状液体橡皮泥(图10 -b)。
图10 由毫米级反光薄片制得的 (a) 多面体液体弹珠和 (b) 液体橡皮泥;(c) 利用透明薄片制成的液体橡皮泥[52];(d) 不同尺寸薄片(i: 2 mm, ii: 1 mm, iii: 0.2 mm)对应的转角结构实例[53]Fig. 10 Polyhedral LMs (a) and LP (b) produced with mm-sized hydrophobic sheets; (c) LPs produced with transparent sheets[52]; (d) Illustration of the angular parts of LPs with different sheet sizes (i: 2 mm, ii: 1 mm, iii: 0.2 mm)[53] |
值得注意的是,薄片尺寸较大时还有利于产生尖锐的拐角,但不利于获得较细的管道结构[53]。另外一个重要特点是,由于使用的薄片平整光滑,所以当它们在液体表面均匀覆盖时散射较少,因此形成的液体橡皮泥具有良好的反光性或透明性(取决于薄片本身是反光还是透明)。然而,在复杂形状的构建过程中,薄片常会在液体表面发生堆叠并形成不均匀分布,使得液体橡皮泥的表面分散着很多或模糊或高亮的区域(图10 c,d),这对于获得均匀的光学特性而言是很不利的。该工作为液体橡皮泥的材料选择提供了新思路,而大尺寸多边形的片状物极易在液体表面发生堵塞这一现象的发现,对于深入理解液体橡皮泥体系而言具有重要意义。
3.3 硬脂酸粉末颗粒包裹的液体橡皮泥
表面固化是液体橡皮泥具有可塑性的根本原因,在上述工作中,均是利用表面堵塞的方式来实现表面固化。最近,Azizian等发现,表面固化还可以通过在液体表面形成凝胶层来实现,并由此成功制备出了液体橡皮泥[50]。该工作采用硬脂酸粉末为颗粒源,由于硬脂酸含有羧基,能够与水分子形成氢键从而产生较强的相互作用,因此,当液滴在硬脂酸粉末上滚动时,部分硬脂酸分子会从颗粒中游离出来并浸没到液面以下,而表层液体则会在氢键和疏水基团的双重作用下变成准连续分布,并被约束在液面下的硬脂酸分子和液面上的颗粒形成的网络中,从而使液滴表面形成凝胶层(图11 -a)。在复杂形状的构建中,主要以液滴往复滚动几十秒后形成的椭球形/梭形液体橡皮泥为初始样品(图11 -b),通过外力将其塑造成目标形状(图11 -c)。
图11 (a) 液滴在硬脂酸粉末上滚动后的形态及表面凝胶化示意图;(b) pH值、体积、滚动时间对液滴滚动后形态的影响;(c) 复杂形状硬脂酸液体橡皮泥;(d) 利用液体橡皮泥的管道结构和可分割性获得不同颜色液体弹珠的过程[50]Fig. 11 (a) Image of a LP formed by rolling a droplet on the stearic acid powder and the schematic depicting the surface gelation mechanism; (b) Liquid shapes under different pH values, volumes, and rolling durations; (c) Stearic acid LPs with complex shapes; (d) A process for getting two LMs with different colors, based on the channel structure and the cuttable property of the LP[50] |
这种液体橡皮泥的构建会受到液滴体积和pH值的限制,体积小则很难通过滚动产生非球形,进而不利于后续复杂形状的获得;而pH值较大时会提高硬脂酸的溶解度,导致表面凝胶化变得困难。此外,这种凝胶液体橡皮泥表面有很多大块的颗粒团聚体,不利于获得较高的塑形精度和透明度。尽管有很多局限,但文中的研究表明,这种液体橡皮泥依然可以胜任一些基于管道结构和可分割性的应用,具体案例如下:在含有甲酚红的梭形液体橡皮泥的两端插入电极,通过水的电解在管道方向产生了pH梯度从而实现了溶液颜色的两极分化,进一步,通过切割获得了具有不同颜色的类球形液体弹珠(图11 -d)。该工作关于表面凝胶化亦可引起液体可塑性的发现增加了人们对液体表面固化机制的认识,同时对于液体橡皮泥类型的拓展而言具有重要意义。
3.4 硫单质粉末颗粒包裹的液体橡皮泥
在硬脂酸凝胶液体橡皮泥的工作之后,Azizian等又试验了另外一种可以实现液体表面凝胶化的粉末颗粒——环八硫(S8,5~15 μm)[51]。附着在液滴表面之后,颗粒表面的S8分子与水分子间可产生偶极-偶极相互作用,同时,部分S8分子水解生成的离子(H+、HS-、SO42-)与S8分子和水分子间都能产生较强的相互作用(图12 -a),这些相互作用使得液滴表面能够形成凝胶层。由此,他们成功制备了硫凝胶液体橡皮泥。这种液体橡皮泥与硬脂酸凝胶液体橡皮泥的表面形貌相似,分布着很多密堆积的岛状团聚体(图12 -b),这似乎是液滴表面凝胶化的共性问题。在制备方面,二者相同的地方在于,液滴体积小时难以通过滚动而变形;不同的是,硫凝胶液体橡皮泥受pH值的影响较小,因此适用的液体范围更广。此外,S8是一种天然的光催化剂,可用于水中污染物的光降解,基于此,他们将罗丹明B水溶液制成了梭形硫凝胶液体橡皮泥,以其为容器进行了光降解实验。结果表明,相比于正常形态的裸液滴,梭形硫凝胶液体橡皮泥内的罗丹明B降解更充分,这一方面归因于液体橡皮泥表面的颗粒可以起到光催化作用,另一方面归因于非正常形状下液体表面积更大,对光的利用更充分[51]。需要指出的是,这部分应用研究与mNPc液体橡皮泥的气体传感研究[46]都提出了液体橡皮泥的高比表面积有利于相关应用,但都没有做严格的对比实验来验证。
4 结论与展望
本文围绕一种新兴的软物质体系——液体橡皮泥的相关研究进行了整理和分析。与液体弹珠相比,二者皆为空气环境中被疏水颗粒包覆的液体体系,不同之处主要在于呈现出的形状。本文指出,液体弹珠的概念主要适用于类球形液滴体系,而表面堵塞的液饼以及被塑造成各种形状的液体体系应统称为液体橡皮泥。对这两个概念的明晰和划分有利于深入理解这两个体系,促进各自发展,并提高科学表述和分析的严谨性。
液体橡皮泥的形成主要基于表面固化,这通常是由表面颗粒堵塞引起的,此外,也可由表面凝胶化导致。对于颗粒堵塞来说,其产生的关键在于增加液滴/液饼的表面颗粒密度,这往往是通过调节表面积来实现的,对此,可总结出两种策略:一是在液体体积不变的情况下令表面积先增大再减小,在增大的过程中表面吸附上更多的颗粒,在减小的过程中,表面颗粒密度增加继而发生堵塞,典型的例子包括mNPc液体橡皮泥制备中液滴压印和液饼滚动的过程;二是减小液体体积,从而减小表面积使得表面颗粒密度增加,典型的例子包括mNPc液体橡皮泥和纳米SiO2粉末液体橡皮泥的制备中从液滴/液饼中抽液的过程。颗粒的尺寸、团聚程度等特性对堵塞的产生和程度具有重要影响。根据目前报导的结果大体可以认为,颗粒尺寸越大越容易堵塞,尺寸越均匀越容易堵塞。对于表面凝胶化来说,其产生的关键在于选取能和液体产生较强亲合作用但又不易分散到液体内部的颗粒,目前报导的有两种:硬脂酸(十八酸)和S8粉末颗粒,在此推测与硬脂酸结构相似的肉豆蔻酸(十四酸)、软脂酸(十六酸)等粉末颗粒亦有可能用于表面凝胶化。相比于利用表面颗粒堵塞,利用表面凝胶化制备液体橡皮泥会更多地受限于液体性质,例如pH值。
大多数液体橡皮泥的复杂形状主要体现在俯视视角,要获得侧视视角下的非正常形状(如图3 a,b),需要使用体积较小(应在百微升以下量级)的液滴以提供较大的曲率,并配合挤压、摩擦等操作使得表面颗粒在局部密堆积,此外,还需要颗粒尺寸足够小,这样才能保障小体积液滴呈现出层次分明的侧视形变。在这方面,以压印法为基础制备的mNPc液体橡皮泥是最典型的代表,也是目前唯一系统展现复杂侧视形状的液体橡皮泥类型。相比之下,俯视视角的液体橡皮泥虽然形状往往更复杂,但反而比较容易制备。其制备途径主要有两种,一是自下而上的拼接法,二是自上而下的分割法,二者可以结合使用。理论上讲,表面颗粒越小越有利于实现高精度的液体塑形,而通过实例对比也可看出,所有液体橡皮泥中颗粒最小的mNPc液体橡皮泥在轮廓光滑、细节准确等方面的确具有明显优势。从光学特性来看,mNPc液体橡皮泥透明度最高,观感最接近裸液滴。相比之下,纳米SiO2粉末液体橡皮泥透明度略低,但仍明显高于硬脂酸、S8等微米粉末液体橡皮泥,而采用毫米级透明薄片制备的液体橡皮泥,其透明度在薄片均匀分布时也明显高于微米粉末液体橡皮泥。与mNPc液体橡皮泥相比,其他液体橡皮泥有个普遍性的优势,即颗粒源容易获得,而以粉末为代表的颗粒源不仅易得,还容易功能化,这是未来的研究需要重视的地方。
从应用来看,目前比较有代表性的工作包括颗粒输运、气体传感、蛋白分析等,其中以蛋白分析的工作最具实用价值。这些应用研究表明,对液体橡皮泥管道结构的利用是其功能开发的关键。相比于毛细管等常规固体管道,液体橡皮泥管道具有可塑性、开放性、易切割等优势,这些优势可以作为新型功能设计的重要抓手。总体而言,目前关于液体橡皮泥的应用探索还很少,而且以应用为主题的有限研究(气体传感、蛋白质分析)都是围绕mNPc液体橡皮泥来开展的,其他类型液体橡皮泥的应用探索大体还处于简单的现象演示层面。
虽然目前对液体橡皮泥的研究报导还不多,但该领域已逐渐进入快速发展阶段,未来的研究大有可为。制备方法、种类拓展、物理特性、外场驱动、功能开发等问题都值得深入挖掘。另外,从样品组成以及自支撑液体容器的角度来看,液体橡皮泥与液体弹珠相似;从管道结构的角度来看,液体橡皮泥与微流控芯片相似,因此,在选题和研究时还可以充分借鉴这两个领域的相关工作。