5月13日，Nature旗下首个工程领域子刊《Communications Engineering》刊发智能制造装备与技术全国重点实验室（简称“实验室”）廖广兰教授团队在微流控稀有微粒富集方法领域的最新成果，题为“Integration of acoustic, optical, and electrical methods in picoliter droplet microfluidics for rare particles enrichment（皮升液滴微流控中声、光、电方法的集成用于稀有颗粒富集）”，提出了一种集成声、光、电方法的皮升级微流控技术，用于稀有微粒富集。2024级硕士生卓华晟、2020级博士生何春华为论文共同第一作者，廖广兰教授、刘智勇副教授为论文通讯作者。

在生物医学诊断（如循环肿瘤细胞检测）和环境监测（如海洋微塑料分析）中，稀有粒子的富集技术具有广泛应用。传统粒子富集方法，如微滤、惯性分离、离心和磁性分离，存在较大局限性，难以兼顾效率、成本和操作简便性。相比之下，微流控技术不仅能够实现连续处理、减少设备规模、降低粒子损坏风险，还可精准操控尺寸或密度相近的目标颗粒。其中，表面声波（SAW）在微流控应用中备受关注，可实现粒子精确聚焦与分离，但其与流体聚焦的协同作用仍缺乏深入研究。光学检测作为粒子分选的核心步骤，主要采用自由空间检测和光流控检测两种方式，其中光纤因其低成本、小体积、易集成的特点被广泛应用。然而，现有光纤改性技术仍然存在制造误差问题。与此同时，高精度电极在液滴微尺度精准分选方面至关重要，但多数电极制造成本高、工艺复杂，且电解质材料易发生电解反应，影响稳定性。

基于上述挑战，团队针对现有稀有微粒富集技术存在的效率低、成本高、操作复杂等问题，提出了集成声学聚焦、光纤检测和电学操控的新方案，以突破传统方法的局限性。研究人员探讨了声学与流体对粒子聚焦的协同动力学原理，并通过优化检测算法提升光纤激光检测的灵敏度。此外，该研究验证了液滴电荷在增强尖端充电现象中的作用，实验结果显示，在大尺寸 H22 细胞富集中，检测和分类准确率分别达到 99.8% 和 99.3%，目标细胞浓度提升了近 86 倍，显著提高了检测灵敏度和微粒操控精度，提供了一种高效可靠的液滴生成与稀有微粒富集方案。

该研究系统性地设计了声学、光学和电学单元，使各模块相互协同，构建了一个高效的微流控平台。研究人员探索了声波聚焦与流体聚焦的协同作用，并提出了优化改良的制造工艺和检测算法，将光纤与激光窗口集成到微流控芯片，显著提升了光学检测灵敏度。此外，还采用低温相变合金材料制作偏转电极，实现更精准的粒子操控与富集，为稀有微粒检测提供了全新的技术路径。

微流控测试、成像系统及芯片微流体通道结构。(a)实验中使用的芯片实物。(b)芯片实验平台和相关设备。(c)微流控模板的光学检测部分。(d)模板中的激光窗口及其浇铸屏障后的形状。(e)正向检测和荧光检测的激活状态。

不同颗粒目标的分选效果。(a) 10 μm荧光微球分选。(b)光电倍增管采样的荧光检测信号。(c) 10 μm PS微球分选。(d)硅光电二极管采样PS微球检测信号。(e) 10 μm磁珠分选。(f)硅光电二极管采样磁珠检测信号。(g)光路结构。

大尺寸H22细胞富集实验。(a)分选直径大于20 μm的H22细胞。(b)观察芯片上的收集室。(c)细胞活性检测。(d)硅光电二极管采样H22细胞信号。(e)细胞检测、液滴分选、细胞浓度和细胞活性的评估指标。P：精确度；R：召回率；Acc：准确度。

实验结果表明，该研究成功将声、光、电方法整合至皮升液滴微流控技术中，大幅提高了超稀有粒子的富集能力。该创新设计结合了声学与流体聚焦、光纤检测、激光窗口及低温相变偏转电极，有效增强了检测灵敏度和操控精度，与现有高通量微流控分选方法相比，该方案在纯度和回收效率上均取得突破，纯度提高 1129.6%，为稀有微粒富集提供了一种更加全面、高效的解决方案。这项研究有望推动实时细胞分拣检测的发展，并为生物医学诊断与环境监测等领域的广泛应用奠定基础。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44172-025-00427-0