毫米大小水滴里竟然有一个实验室( 三 )


这些特点使得液体弹珠可以成为一个个微型的“实验室”或者“化工厂” , 我们只需要很少材料就可以完成至关重要的分析、测试等操作 , 同时又不用担心液体会损失或者污染周围的环境 。 接下来就让我们看几个这样的例子 。
许多气体都能够对人体健康带来危害 , 而通过液体弹珠我们可以及早发现环境中有害气体的存在 。 例如在2010年 , 来自澳大利亚的研究人员将一种荧光染料的水溶液制成液体弹珠 。 在紫外线照射下 , 液体弹珠能够发出绿色荧光 , 但如果强腐蚀性的酸性气体氯化氢溶解到液滴中后 , 荧光染料的化学结构会发生变化 , 荧光的颜色由绿变蓝 。 通过颜色的变化 , 我们就可以感知环境中氯化氢的存在 , 从而做出防范 。
在另外一个例子中 , 研究人员将氯化钴水溶液制成液体弹珠 。 如果环境中存在氨气 , 溶解到液体弹珠中的氨气会与钴离子结合 , 改变液体弹珠的颜色 , 从而提醒我们警惕有害气体的存在 。 由于液体弹珠彼此之间即便相遇也不会融合 , 我们可以把这几种不同的液体弹珠放在一起 , 从而对多种有害气体都能够有效地进行监视 。
利用液体弹珠检测有害气体:图(a)和图(b)分别为可见光和紫外光下观察的某种荧光染料水溶液的液体弹珠;图(c)为液体弹珠接触氯化氢气体后在紫外光下观察的结果 。 (图片来源:Junfei Tian et al. Chemical Communication, 2011, 46, 4734)
在生物医学实验室里 , 液体弹珠同样可以施展拳脚 。
输血是医学上极为重要的治疗和急救手段 , 但不相容的血型混合后会导致溶血反应 , 严重时会危及患者生命 。 因此 , 高效快速地检测血型在临床上至关重要 。 为了实现这一目标 , 前述来自澳大利亚的研究小组成功利用液体弹珠开发出了一套血型检测系统 ,
他们将少量血液制成液体弹珠 , 再分别向这些弹珠中加入特定的抗体 。 血液弹珠的颜色本来是均匀的 , 但如果同一种血型的抗原和抗体相遇 , 就会引发血液凝集 , 从而使得液体弹珠呈现出颜色明显不同的两层 。 这样 , 通过简单的几次操作 , 我们就可以判断某一血液样品的血型了 。
利用液体弹珠来检测血型 。 图中展示了A+, B+, O+和O-这四种血型血液的液体弹珠分别与A, B和RhD三种抗体混合后的结果 。 对号表明血液中存在相应的抗原 , 导致液体弹珠的外观发生显著变化 。 (图片来源:Tina Arbatan et al. Advanced Healthcare Materials, 2012, 1, 80)
上面这两个例子很好地展现了液体弹珠在实际应用中的价值 。
不过科学家们更感兴趣的则是如何通过液体弹珠这种形式 , 更好地利用外部刺激来操纵液体 。
例如四氧化三铁是具有磁性的物质 , 如果把它的微粒覆盖到水滴的表面 , 我们就得到了具有磁性的液体弹珠 。 这样的液体弹珠可以在磁铁的作用下滚来滚去 , 当把磁铁靠近液体弹珠的一侧 , 那么原本均匀分散在液滴表面的磁性颗粒都会在磁铁吸引下向这一端靠拢 , 从而在液体弹珠的表面打开一个缺口 。
通过这个缺口 , 我们可以很方便地向液滴中添加反应物或者提取反应产物 , 甚至可以把电极等探针插入液滴内部进行实时的分析测试 。 这些操作结束后 , 只要将磁铁移开 , 聚在一起的磁性颗粒又可以重新均匀分布在液体弹珠的表面 , 将液滴保护起来 。
如果覆盖在液体弹珠表面的固体颗粒具有弹性 , 我们可以利用磁场移动颗粒 , 在液体弹珠表面打开一个缺口
(图片来源:Yan Zhao et al., Advanced Functional Material, 2015, 25, 437)
如果我们对具有磁性液体弹珠施加一个旋转的磁场 , 它们则会像实验室常用的磁搅拌子那样转个不停 。 假如液滴内部含有固体微粒 , 在旋转过程中 , 这些微粒会在离心力的作用下与液体分离 。

推荐阅读