微流控技术及其应用与发展

微流控技术及其应用与发展作者：李宇杰霍曜李迪唐校福等来源：《河北科技大学学报》2014年第01期摘要：微流控技术广泛应用于生化分析、疾病诊断、微创外科手术、环境检测等领域。

微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流控器件及系统的集成与封装是该领域的三大关键技术。

综述了微流控技术在这3个方面的发展现状及在不同领域中的应用，展望了微流控技术的发展前景，指出多相微流体的介观传输理论及跨尺度流体的性质将是今后研究的重点与热点。

关键词：微流控；微纳尺度流体；微通道；微流体系统；微流体界面；层流微加工中图分类号：O652；O359；TQ021.4文献标志码：AEmail：***************.cn微流控技术是指在至少有一维为微米甚至纳米尺度的低维通道结构中控制体积为皮升至纳升的流体进行流动并传质、传热的技术，可广泛应用于生化分析、免疫分析、微创外科手术、环境监测等众多领域[1]。

微流控技术的核心内容包括以下几方面。

1）微通道结构的设计与制造当通道的特征尺寸在微米甚至纳米量级时，通道表面积与其内部空间的体积之比很大，通道的结构、形状和壁面性质都将对其中的流体流动状态产生极大的影响。

如何设计并制造出结构合理、尺寸精确、壁面性质可控的微通道，是控制微流体的前提。

2）微纳尺度流体的驱动与控制微纳尺度下的流体与宏观流体相比，其流动状态和传输特性有很大不同，表现出明显的尺寸效应[23]。

随着通道特征尺寸的缩小，流体的体积减小，重力往往可以忽略不计；但此时流体的比表面积增加，宏观下通常可以忽略的表面张力占据主导地位，通道中液固、液液及液气界面的形态、尺寸和位置成为影响流体流动状态的主要因素之一。

微纳流体流动的雷诺数（Re）极低，其值通常远小于100，属于典型的层流，流体黏度的影响远大于惯性的影响，流动阻力大，流体各部分间混合困难。

而另一方面，微纳流体流动的伯克利数（Péclet number， Pe）较大，流体中分子、原子或其他微观粒子的随机扩散过程将不可忽略。

这些特点都使得微纳流体的驱动和控制较为困难。

3）微流控器件及系统的集成与封装微流控器件是目前微机电系统（MEMS）领域中主要的分支之一。

随着制造和集成技术的不断提高，微流控器件也日益向小型化、多功能化方向发展，其中往往集成有多种微电子或微机械器件，形成具有完整功能的片上系统（system on a chip， SOC）。

然而，由于微流体器件涉及的材料种类多、制备工艺与传统的微电子制造工艺不兼容、微流体的密封与绝缘难度较大等原因，目前微流体器件发展中最大、最困难的问题就是与IC电路及器件的集成与封装。

本文将针对以上要点内容，综述近年来微流控技术的发展现状及其在不同领域中的应用，并由此展望微流控技术的发展前景，归纳出今后的研究重点与方向。

1微通道的结构与制备微流控系统中流体需要在一定尺寸和结构的微通道中以一定的方式进行流动，以达到传热、传质和动量传输的目的。

因此微通道是微流控系统的核心部分。

尺寸较大（特征尺寸大于100 μm）、结构和功能简单的通道可以用毛细管制备，而尺寸小、结构复杂的通道则需要采用特定的材料和特定的工艺来制备。

1.1 微通道结构及其设计图1不同形状的主通道Fig.1Microchannels of different morphology微通道由入口、主通道、辅助通道（侧流通道）和出口组成。

主通道中需要输入多相流体时，不同的流体需从不同的入口通道引入，经过主通道处理后的不同流体再由不同的出口通道导出。

入口和出口部分可以设计成“T”型[4]，“Y”型[5]或扇骨型[67]结构。

主通道是流体发生分离、混合和反应的主要空间场所，是实现微流控器件功能的主要部分，其结构和尺寸需根据器件所要实现的具体功能进行仔细设计。

最简单的通道为平面直通道[8]，如图1a所示。

在需要造成不同流体间的有效混合时，可以将主通道设计成二维曲线型[910]、二维折线型[10]、三维折线型[11]或更为复杂的三维结构[12]，如图1b）—图1e）所示。

与二维结构相比，三维结构可以产生较强的涡旋，使混合更为快速、有效，但制造也更为复杂。

主通道的壁面或底面也可以设计出斜肋、斜槽或人字形槽[13]，如图1f）所示，造成各向异性的流动阻力，形成紊流，以加强混合。

低雷诺数条件下，在主通道中加入有序排列的障碍物，可以用来实现分散于液体中的不同大小的微粒的有效分离，如图2所示[14]。

辅助通道（侧流通道）则通常用来实现流体的水力聚焦和流量控制[15]。

图2微通道中不同直径荧光粒子的分离Fig.2Separation of fluorescent microspheres in microchannels1.2制备微通道的材料设计好的微通道结构可以用不同的材料来制备，如硅、玻璃及高分子聚合物等。

单晶硅晶圆是IC产业的基础材料，广泛用于制造半导体器件和集成电路。

在单晶硅晶圆上制备微通道的工艺通常能与微制造技术完全兼容，制备完成的微流控器件能方便地与微电子器件进行集成。

以二氧化硅为主要成分的普通玻璃是一种低成本、绝缘性能好、对可见光透明的材料[16]。

用它制备微通道，便于观察通道内的流动状态，同时能够实现与有机聚合物及硅等材料的有效键合防止流体的渗漏。

相对于硅片和玻璃，有机聚合物材料加工制备过程更加简单[17]，能够制备复杂的通道结构。

可以用于制备微通道的有机聚合物材料主要有聚碳酸脂（polycarbonate， PC）[1819]、聚甲基丙烯酸甲脂（polymethyl methacrylate， PMMA）[2021]、聚苯乙烯（polystyrene， PS）[1721]、聚乙烯对苯乙二醇（polyethylene terephthalate glycol， PETG）[22]、聚氯乙烯（polyvinylchloride， PVC）[17]、聚乙烯（polyethylene，PE）[17]及聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）[21]等。

其中聚二甲基硅氧烷的弹性很好，可用于制备需要较大变形的特殊器件，如微气泵[23]、微阀[24]等。

但有机物导热性差、不耐高温、加工工艺与微制造工艺不兼容，使其在微流控技术的应用受到一定限制。

1.3微通道的加工制备方法用于制备微通道的材料种类多、性能差异很大，针对不同的材料需要采用不同的加工方法。

硅和玻璃材料上加工微通道主要采用光刻和刻蚀技术，可以精确地控制微通道的形状、大小和位置，并且能同时在整个芯片表面形成图形，适宜进行大规模批量生产。

随着光刻工艺的进步，光刻的精度不断提高，制备出的图形特征尺寸不断减小。

采用纳米级的光刻技术能够制备出特征尺寸小于500 nm的微通道，实现对纳米尺度流体的控制和应用。

但光刻工艺对衬底表面质量要求苛刻、工艺复杂、需要昂贵的曝光和刻蚀设备，成本较高，成品率较低。

同时，光刻和刻蚀很难制备三维结构的微通道。

聚合物类材料的加工方法则大不相同，通常采用软光刻技术来完成。

图形母版可以采用打印、普通光刻或电子束直写制备，图形转移和复制则可以通过压印[25]、模铸[26]与印刷[27]来实现。

软光刻技术[24]不仅可以制造三维结构，而且能制造出不规则的曲面。

软光刻所需要的设备比较简单，一般实验室环境下就可以应用，图形复制过程简单、精度高、重复性好，是一种方便、便宜、适合一般生产和实验环境条件并能进行低成本批量生产的技术。

2微纳流体的流动状态与控制流体在微纳尺度的通道中流动的阻力很大，要形成有效的驱动可以有多种方法，如采用注射泵[28]、气泵[23，29]、蠕动微泵[30]等进行压力驱动，或者利用电渗流[31]、电泳[32]、电润湿[3334]和介电流体[3536]等现象实现电动力驱动。

2.1微通道中的涡流微纳尺度的流体属于典型的层流。

当Re>100时，如果在通道侧壁或管道中存在一定的障碍物，形成不对称结构，会使流场中出现涡流和涡旋。

100>Re>10时，平面结构的微通道中很难形成涡流，但三维不对称结构的微通道中仍然能够产生有效的涡流。

而对于雷诺数极低的情况，即Re图3“微磁子”混合器的结构及其混合效果Fig.3Structure and mixing effect of the micromagneton mixer在低雷诺数的层流中形成涡流最有效的办法是在流体的局部位置制备有源搅拌部件，再采用外部的电场、磁场、超声或压力等控制这些部件形成涡流。

图3 是利用磁场控制磁性胶体颗粒自组装形成“微磁子”混合器实现局部搅拌的典型实例[37]。

图中测量的是混合器主通道下游不同截面位置处示踪粒子的浓度分布。

右上和左下的插图分别是混合前和混合后微通道中的流动状态照片；红色箭头所指的即是由磁性胶体粒子自组装形成的“微磁子”，白色箭头指示的是流动方向。

左边入口流入的流体中加入了示踪粒子。

右上插图中，“微磁子”没有旋转，左右入口通道中通入的流体没有混合；而左下插图中，“微磁子”在外磁场控制下快速旋转，使下游流体发生有效混合。

2.2微通道中多相流体间的界面及其控制微纳米流体按其组成成分可分为单相流（如单一液体流、单一气体流），两相及多相流（如气液两相流，液液多相流）。

多相流又可以细分为单组分多相流（single component，multiphase， SCMP）和多组分多相流（multicomponent， multiphase， MCMP），也可以分为互溶多相流和不互溶多相流。

2.2.1互溶流体间的界面宏观尺度下，互溶的液态流体之间很难维持明显的界面，相互接触后可以通过对流等过程很快实现混合。

但在低雷诺数的层流条件下，流体间往往只能通过界面扩散进行混合。

因此，即使是互溶流体，在相互接触时中间也会存在明显的界面。

但随着相互接触时间的延长，由于纵向（沿着流体流动方向）和横向（垂直于流体流动方向）的扩散，会使界面展宽，逐渐变得模糊，如图4a）所示[3]。

图4两相微流体间的界面Fig.4Interfaces between twophase microfluid flows2.2.2不互溶流体间的界面对于不互溶的两相微流体，界面处的扩散作用受到抑制，能够在两相之间长时间保持明晰的界面，即形成所谓的“钉扎”界面，如图4b）所示[3]。

但界面的形态会受到流体黏度、界面张力、流速、通道特征尺寸、通道内壁状态等众多影响的因素，形成分层流、波浪层流、倾斜界面层流、液滴流、塞状流以及环形流等多种不同的流型，如图5所示[38]。

图5微通道中不同的流型Fig.5Different flow patterns in the microchannels不互溶多相微流体的界面控制是微流控技术中的关键技术之一。