基于颜色变化水凝胶的集成微流控压力传感

精确测量微流体流动中的压力对于流量控制、流体表征和监测至关重要，但也面临着一些特定的挑战，例如实现足够的分辨率、非侵入性或易用性。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自巴黎文理研究大学（PSL University）和日本北海道大学（Hokkaido University）的研究人员共同设计了一种完全集成式多路复用光流控压力传感器，该传感器与流路完全解耦，能够在不改变流体几何形状的情况下沿着任意微流控通道进行局部压力测量。

传感器的传感机制在于水凝胶会在软机械驱动下产生压缩，并且其颜色会随着压力的变化而变化。水凝胶与微通道中的循环流体之间由一层薄膜隔开，因此可以不受限制地应用于不同类型流体的压力测量。使用彩色摄像头通过透明的PDMS对凝胶进行成像，可以直接、简单、非接触式地测定传感位置的流体压力，其检测限低至20 mbar，分辨率约为10 mbar。该传感器的灵敏度和可测量的压力范围可以通过调整传感单元的机械特性进行优化。

此外，这种光子凝胶还可以充分利用响应时间短和空间分辨率高的优势，来获取二维（2D）压力或形变图。相关研究成果以“Color-switching hydrogels as integrated microfluidic pressure sensors”为题发表在Scientific Reports期刊上。

图1 压力传感单元的总体设计

如图1a、1b所示，压力传感单元由多层PDMS构成。具体而言，传感器由两层通过标准软光刻技术制成的模塑PDMS层组成，二者之间由一层PDMS薄膜隔开。其中，上层包含一个压力传感腔，腔内充满待分析的压力流体；底层包含一个封装有光子水凝胶片的腔体。在该腔体中，水凝胶浸泡在缓冲水溶液中，腔体有一个入口和一个出口，用于更新缓冲液。腔体的尺寸略大于凝胶片，以使得水凝胶在被纵向压缩的同时能够横向膨胀。要特别注意的是，水凝胶片的高度与腔体的高度需要相匹配，以避免凝胶出现预压缩，从而使得压力测量的结果出现偏移。

此外，水凝胶片被压力传感腔完全覆盖。当压力传感腔内的压力增大时，PDMS薄膜会发生变形，从而使得底层的凝胶被压缩，凝胶的颜色随之改变。在该传感装置中，这种颜色变化可以通过摄像头对从传感器上层反射出的光线进行观察来获得。如果将传感单元置于黑色背景上，则可以提高颜色观察的质量。

图2 微流控通道设计示意图

图3 2D压力传感

这种软光子水凝胶具有层状结构，由嵌入软水凝胶基质中的薄而坚硬的光反射双层膜构成。通常情况下，其层间距离与可见光的波长相当。因此，多层结构可选择性地衍射可见光，从而使其在反射性白光照射下呈现彩色。在被压缩的情况下，凝胶的层间距会缩小，从而导致其颜色发生变化。具体而言，凝胶在未形变状态下衍射的波长较长（橙色），而在压缩状态下衍射的波长较短（逐渐变为蓝色）。可以用光谱仪测量每个压力下的精确颜色响应，即反射波长尖峰分布的最大值（λmax）。

对于一般的压力传感应用，使用光谱仪可能缺乏便利性，使用更简单的设备（如彩色摄像头或光纤）来测量和量化凝胶的颜色变化将具有更大的实用价值。这可以通过将图1c左列所示的彩色图片转换成右列所示的由色相值H映射的灰度强度图（色相-饱和度-色相模型，通过图像处理获得）来实现。由于衍射光是单色的，因此从摄像头图像中得出的H值可以很好地代表波长。图1d的插图显示了这一点，该插图比较了用彩色摄像头获取的图像计算出的H值和用光谱仪测得的最大反射波长。从结果中可以看出，在480 ~ 540 nm范围内，H值随着λmax的减小而减小，因此，本研究中通过摄像头获取的彩色图像来量化凝胶的颜色响应的简便策略是可行的。

综上所述，该研究提出了一种基于在可见光谱范围内的软水凝胶颜色变化的新型压力传感器。这种传感器的与众不同之处在于，由于不会与传感凝胶直接接触，各种流体（液体和气体）与该传感器都具有良好的兼容性。此外，这种传感器的固有设计确保了传感系统内不存在液体/气体界面，从而避免了由于毛细管压力跃迁而导致的测量误差。不过，这种传感器的制造并不局限于使用该研究中提到的PDMS，也可以使用玻璃或其它类型的聚合物材料制造。与此同时，将传感单元与水凝胶隔开的薄膜也可以用不同的材料代替，甚至可以使用薄金属片，只要需要评估的预期范围内的压力值足以使薄膜和凝胶系统发生形变即可。对于非透明膜，必须从含有凝胶的腔室下方观察凝胶的变色情况，而不是像该研究中展示的从腔室上方进行观察。

此外，该研究设计的压力传感器不仅可以实现在微流控装置中的应用，还可插入任何流体回路中。对于精确度要求较低的应用场景（例如在超过一定压力阈值时发出警告信号），可以直接通过人眼进行读数。总体而言，空间分辨压力测量为基础研究或工业研究提供了多种可能性，如湍流或复杂流体流动中的局部压力测量、液滴生成、微反应器、细胞生长和形变、片上器官技术或医疗应用，以及数值模型的验证。

审核编辑：黄飞