精確測量微流體流動中的壓力對于流量控制、流體表征和監測至關重要，但也面臨著一些特定的挑戰，例如實現足夠的分辨率、非侵入性或易用性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自巴黎文理研究大學（PSL University）和日本北海道大學（Hokkaido University）的研究人員共同設計了一種完全集成式多路復用光流控壓力傳感器，該傳感器與流路完全解耦，能夠在不改變流體幾何形狀的情況下沿著任意微流控通道進行局部壓力測量。

傳感器的傳感機制在于水凝膠會在軟機械驅動下產生壓縮，并且其顏色會隨著壓力的變化而變化。水凝膠與微通道中的循環流體之間由一層薄膜隔開，因此可以不受限制地應用于不同類型流體的壓力測量。使用彩色攝像頭通過透明的PDMS對凝膠進行成像，可以直接、簡單、非接觸式地測定傳感位置的流體壓力，其檢測限低至20 mbar，分辨率約為10 mbar。該傳感器的靈敏度和可測量的壓力范圍可以通過調整傳感單元的機械特性進行優化。

此外，這種光子凝膠還可以充分利用響應時間短和空間分辨率高的優勢，來獲取二維（2D）壓力或形變圖。相關研究成果以“Color-switching hydrogels as integrated microfluidic pressure sensors”為題發表在Scientific Reports期刊上。

圖1 壓力傳感單元的總體設計

如圖1a、1b所示，壓力傳感單元由多層PDMS構成。具體而言，傳感器由兩層通過標準軟光刻技術制成的模塑PDMS層組成，二者之間由一層PDMS薄膜隔開。其中，上層包含一個壓力傳感腔，腔內充滿待分析的壓力流體；底層包含一個封裝有光子水凝膠片的腔體。在該腔體中，水凝膠浸泡在緩沖水溶液中，腔體有一個入口和一個出口，用于更新緩沖液。腔體的尺寸略大于凝膠片，以使得水凝膠在被縱向壓縮的同時能夠橫向膨脹。要特別注意的是，水凝膠片的高度與腔體的高度需要相匹配，以避免凝膠出現預壓縮，從而使得壓力測量的結果出現偏移。

此外，水凝膠片被壓力傳感腔完全覆蓋。當壓力傳感腔內的壓力增大時，PDMS薄膜會發生變形，從而使得底層的凝膠被壓縮，凝膠的顏色隨之改變。在該傳感裝置中，這種顏色變化可以通過攝像頭對從傳感器上層反射出的光線進行觀察來獲得。如果將傳感單元置于黑色背景上，則可以提高顏色觀察的質量。

圖2 微流控通道設計示意圖

圖3 2D壓力傳感

這種軟光子水凝膠具有層狀結構，由嵌入軟水凝膠基質中的薄而堅硬的光反射雙層膜構成。通常情況下，其層間距離與可見光的波長相當。因此，多層結構可選擇性地衍射可見光，從而使其在反射性白光照射下呈現彩色。在被壓縮的情況下，凝膠的層間距會縮小，從而導致其顏色發生變化。具體而言，凝膠在未形變狀態下衍射的波長較長（橙色），而在壓縮狀態下衍射的波長較短（逐漸變為藍色）。可以用光譜儀測量每個壓力下的精確顏色響應，即反射波長尖峰分布的最大值（λmax）。

對于一般的壓力傳感應用，使用光譜儀可能缺乏便利性，使用更簡單的設備（如彩色攝像頭或光纖）來測量和量化凝膠的顏色變化將具有更大的實用價值。這可以通過將圖1c左列所示的彩色圖片轉換成右列所示的由色相值H映射的灰度強度圖（色相-飽和度-色相模型，通過圖像處理獲得）來實現。由于衍射光是單色的，因此從攝像頭圖像中得出的H值可以很好地代表波長。圖1d的插圖顯示了這一點，該插圖比較了用彩色攝像頭獲取的圖像計算出的H值和用光譜儀測得的最大反射波長。從結果中可以看出，在480 ~ 540 nm范圍內，H值隨著λmax的減小而減小，因此，本研究中通過攝像頭獲取的彩色圖像來量化凝膠的顏色響應的簡便策略是可行的。

綜上所述，該研究提出了一種基于在可見光譜范圍內的軟水凝膠顏色變化的新型壓力傳感器。這種傳感器的與眾不同之處在于，由于不會與傳感凝膠直接接觸，各種流體（液體和氣體）與該傳感器都具有良好的兼容性。此外，這種傳感器的固有設計確保了傳感系統內不存在液體/氣體界面，從而避免了由于毛細管壓力躍遷而導致的測量誤差。不過，這種傳感器的制造并不局限于使用該研究中提到的PDMS，也可以使用玻璃或其它類型的聚合物材料制造。與此同時，將傳感單元與水凝膠隔開的薄膜也可以用不同的材料代替，甚至可以使用薄金屬片，只要需要評估的預期范圍內的壓力值足以使薄膜和凝膠系統發生形變即可。對于非透明膜，必須從含有凝膠的腔室下方觀察凝膠的變色情況，而不是像該研究中展示的從腔室上方進行觀察。

此外，該研究設計的壓力傳感器不僅可以實現在微流控裝置中的應用，還可插入任何流體回路中。對于精確度要求較低的應用場景（例如在超過一定壓力閾值時發出警告信號），可以直接通過人眼進行讀數。總體而言，空間分辨壓力測量為基礎研究或工業研究提供了多種可能性，如湍流或復雜流體流動中的局部壓力測量、液滴生成、微反應器、細胞生長和形變、片上器官技術或醫療應用，以及數值模型的驗證。

審核編輯：黃飛

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