摘要 表面张力作为液体的基本物性，是关联微观分子作用与宏观界面现象的核心参数。精确测量液体的表面张力对于理解其物化特性至关重要。然而，在微纳尺度上测量液滴的表面张力极具挑战。本文提出一种基于光纤端面双V型探针（FDVP）的拉脱法，可实现微液滴表面张力的精确测量。通过飞秒激光双光子聚合技术在光纤端面一体化打印双V型探针，成功研制可进行压力与拉力检测的FDVP。为适配不同体积微液滴，基于结构力学原理提出根据待测液滴定制FDVP探针直径的策略。作为概念验证，制备两种不同探针直径的FDVP，并建立其反射光谱与外力之间的函数关系，得到微力灵敏度为5.75 nm/μN，力探测下限可达3.5 nN。利用大直径FDVP测量去离子水、异丙醇、丙酮等不同类型微液滴的表面张力，获得其表面张力系数，结果表明FDVP可在微纳尺度上区分不同液滴表面张力之间微小差别。此外，利用小直径FDVP量化不同浓度去离子水-异丙醇混合液的表面张力。所提方法灵活、简单、可靠，为微液滴表面张力分析开辟新途径，在生物医学、微流控及材料力学等领域具有广阔应用前景。

1 引言

表面张力源于液体分子之间的内聚力，是液体的一种基本物理属性。其成因可归结于界面分子受到不对称作用而产生的净内向拉力，深刻影响从微观到宏观的多尺度物理过程，并在众多前沿科学技术与工程应用领域中扮演重要角色。对液体表面张力的分析在工程学、生物学、电化学和色谱学等领域具有重要意义。此外，表面张力作为主导作用力，对润湿性、黏附力、液滴动力学以及泡沫体系稳定性等关键界面现象具有决定性影响。因此，精确测量和表征微液滴表面张力，对于理解微纳尺度下液体系统的物化特性至关重要。

近年来，液体表面张力得到广泛研究，尤其是液滴表面张力的微观测量。这种微观测量对理解大气气溶胶影响全球气候变化、昆虫腿部微小分泌物使其附着在大多数表面等自然现象非常重要。然而，在微纳尺度上测量液滴表面张力极具挑战。

目前，液体表面张力测量常用传统方法包括Wilhelmy板法和Du Nouy环法。Wilhelmy板法通过测量薄板脱离液面时的最大拉力，结合板的润湿周长获得溶液表面张力系数；Du Nouy环法通过测量铂金环从液面被拉脱瞬间的最大拉力，结合环的几何尺寸得到液体表面张力系数。然而，由于检测仪器物理尺寸较大，这些传统方法无法用于皮升级以下微液滴表面张力的测量。微液滴表面张力测量常采用微流控技术、光镊技术和原子力显微镜（AFM）技术。微流控技术通过分析不相溶液滴在通道中流动时的形态或动力学参数，反推其表面张力；光镊技术通过捕获悬浮液滴并测量反向散射拉曼信号量化其表面张力；AFM通过采集微悬臂探针从微液滴中拉脱时的力-距离曲线测算表面张力，无需耗用大量待测液体，可实现皮升级以下液滴的微观测量，并具有实时和高分辨率测量优点。已有研究使用AFM结合定制圆柱形纳米针测量乙酸液滴表面张力，结果与商用表面张力计一致；后续研究使用AFM标准金字塔形悬臂探针测量矿物油、离子液体和甘油三种液滴表面张力。然而，金字塔形悬臂探针通常不对称，难以准确推算其与液滴的接触线长度，使表面张力系数计算复杂化。悬臂探针作为AFM系统关键驱动元件，是传统硅微加工工艺产物，制造过程复杂，极大限制探针几何形状及尺寸多样性。此外，传统AFM存在操作复杂、体积庞大、扫描范围窄等缺点，限制其灵活性与适用范围。因此，迫切需要开发新一代小型化、集成化、高灵敏微力传感器，实现微液滴表面张力灵活、快速、精确测量。

光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、柔韧性好、体积小、耐腐蚀以及可远程测量等优点，已发展为液体表面张力测量的新一代方法。前期研究通过在光纤端面制备薄二氧化硅膜片构建微腔传感器测量异丙醇表面张力，但力分辨率较低限制其对液滴的微观测量；另有研究设计基于锥形微光纤的传感器，利用较强倏逝场实现液体折射率和表面张力测量，但由于二氧化硅材料杨氏模量较大，仅可测量毫牛顿量级力，无法实现微液滴表面张力测量。为实现微液滴表面张力灵活、精确测量，有必要借助新材料与先进加工技术研制新型光纤微力传感器。飞秒激光双光子聚合（TPP）作为高精度、高灵活性三维微打印技术，通过在光纤上直接集成低杨氏模量聚合物微结构，可显著提升传感器性能。因此，将传统光纤与TPP技术结合，为研发微型全光纤微力传感器开辟新途径。

本文研制一种紧凑型光纤端面双V型探针（FDVP），可实现皮升级微液滴表面张力精确测量。基于结构力学原理，采用有限元法设计不同探针直径的FDVP，并利用飞秒激光TPP技术实现器件一体化制备。建立外力与FDVP谐振波长之间函数关系，得到微力灵敏度为5.75 nm/μN，力探测下限达3.5 nN，并具有优异稳定性和可重复性。利用大直径FDVP测量去离子水微液滴表面张力，获得表面张力系数；同时实现异丙醇、乙醇和丙酮等不同微液滴表面张力精确测量，验证广泛适用性。基于小直径FDVP测量去离子水-异丙醇混合液表面张力，研究不同异丙醇浓度对混合液表面张力的影响。此外，FDVP还可用于液体接触角测量，并在微纳尺度上区分不同液滴表面张力之间微小差别。所提基于FDVP的拉脱法为微液滴表面张力原位测量提供全新解决方案，在液体界面化学分析方面具有广阔应用前景。