控制微小流体的技术微流控技术简介

　　什么是微流控？
　　微流控技术（microfluidics）是一种利用几十至几百微米通道以精确操控微尺度流体的技术，涉及到工程学、物理学、化学、生命科学、材料科学等领域。微流控芯片（microfluidic chips）是实现微流控技术的主要平台。微流控芯片技术的发展是以芯片毛细管电泳的形式开始的。20世纪90年代初，A. Manz和D. Harrison等人开拓性地开展了芯片电泳的研究工作，他们采用微机电加工技术在平板上刻蚀微管道，研制出毛细管电泳微芯片分析装置，开创了微流控芯片技术的先河。微流控技术发展到今天，生物、化学等分析过程和材料的制备过程可以微缩集成到一块几厘米的芯片上，芯片由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学、生物、材料实验室的各种功能。
　　微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。微流控技术和微流控芯片被国际科学界认为是重大科技进展和改变未来的技术。2001年，英国皇家化学学会为此专门推出了《芯片实验室》（Lab on Chip）期刊，如今该期刊已经成为了微流控领域的代表性期刊。
　　微流控技术最早是应用在分析领域，它具有样品与试剂低消耗、分辨率和灵敏度较高、分析时间非常短等突出的优点，而易于阵列化使其能够实现高通量检测、系统集成化、微型化、自动化和便携式。与传统分析手段相比，微流控芯片具有分析快速、消耗低、微型化、自动化等优势。与标准毛细管电泳仪器相比，在微加工设备和微流控芯片上实施电化学分析更有吸引力，因为使用电极进行检测会使仪器更小，成本更低，这也是小型化的动力之一。微加工技术非常适合于电化学检测器的构建，由于所涉及的尺寸很小，用传统方法很难制造，即使对传统的毛细管来说也是如此，微机械加工所获得的更好的机械精度会提高分析性能。
　　微流控芯片中所研究的流体是在微米量级，雷诺系数变小，层流特点明显，容易控制，比表面积迅速增大但连续介质定理仍然成立，连续性方程可用。此外，微流控反应系统利于快速传递质量和能量，允许在超短时间尺度上产生或均匀化温度和试剂梯度。由于这些特点，微流控技术也很适合用来进行材料的合成、表征及测试。
　　微流控技术的迅速发展促进了材料科学的新创新，特别是通过与生物系统的相互作用，在微尺度范围内对流体和细胞进行精确的操作。近年来，基于微流控技术的生物材料和生物器件取得了长足的进展。在药物传递、生化分析、组织工程等传统领域，基于微流控技术的生物材料有可能产生出广泛的新产品。在诸如柔性电子和可穿戴设备等新兴领域，基于微流控的生物设备可能会引发很大的改变和发展。用于材料合成的液滴微流控技术
　　在材料的合成上，与传统的制备颗粒的方法（如溶胶凝胶法、水热法、晶体生长法、微乳液聚合法等）相比，液滴微流控技术可以提供设计、合成、控制颗粒性质的一体化平台，用以合成单晶、聚合物颗粒、复合材料等等。同时，采用微流控技术制备纳米材料具有粒径形态可控、单分散性、绿色环保能耗低等优势。粘性流动的长程性质和微流体固有的小装置尺寸意味着边界的影响通常是显著的。利用边界效应对流体进行操纵的策略有很多，其中包括电动效应、声流效应和流体-结构相互作用。David Baah等人详细总结了用以合成材料的常用微流控设备（包括PDMS和玻璃）。用PDMS制成的装置极容易加工，可加工成各种形状用以合成不同要求的颗粒，而玻璃毛细管也可用于这些材料的合成，并且可通过改变流动参数和溶剂合成特定结构的颗粒。
　　基于流动的微流控可分为连续流动微流控和分段流动微流控。简单来说，反应混合物可作为连续流动或在微通道内分隔成纳升级别的液滴在系统中流动。连续流易于建立和直接扩展，但是它们在通道横截面上的抛物线速度分布以及无阻碍的分子/壁相互作用导致停留时间分布和随后对粒径分布的不良控制。分段流动反应器增加了操作的复杂性，但通过隔离反应混合物和去除停留时间分布也克服了连续流动的主要限制。两种类型的流动都可以以多种形式实现，包括基于芯片的系统（由PDMS等聚合物、玻璃或硅制成）和基于毛细管的反应器。
　　在合成纳米颗粒时，例如大规模制造高质量量子点时，批量合成的放大通常会放大现有的混合效率和众所周知的批量变化，这些变化会通过可变和不利的传热和传质动力学进一步影响生成的产品。因此，在批处理系统中获得足够小的Damkohler数（Da）以精确反应动力学表征可能是一个挑战，这可能导致非均匀成核过程。而微流控作为一种替代策略被推广使用，以应对与传统烧瓶系统相关的材料合成的挑战。单相微流体策略，虽然在化学消耗和取样效率方面优于间歇系统，但通常仅限于具有不需要的轴向分散的层流区域，这会限制向径向扩散的质量传递。相反，微尺度多相流已被证明在1阶上实现了显著短于间歇系统的混合时间标度，由于在移动的液滴中形成了两个轴对称的回流模式，多相微流体的增强混合和传质特性使其成为高通量筛选和在线优化合成胶体纳米晶体的理想选择。
　　Aketagawa等人通过多层光刻法制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）的鞘流微通道，通过鞘流微型通道产生液滴并合成致密填充有TiO2纳米颗粒的藻酸盐-TiO2复合颗粒。将分散相通道与连续相通道连接，分散相在连接点处膨胀成球形，曲率半径增加的同时导致拉普拉斯压力的急剧下降，有助于液滴的形成。将包含有TiO2纳米颗粒的藻酸钠水溶液作为分散相，连续相用含有表面活性剂的葵花籽油，分散相进入连续相时形成单分散的液滴。使用微流控装置，在油相中形成含有低密度TiO2纳米颗粒单分散藻酸钠液滴。这种方法有利于单分散藻酸盐-无机复合颗粒的稳定生产和应用。
　　Lignos等人用下图所示微流控和检测器模块合成了量子点。对于所有反应器形式，使用精密注射泵激发分散的前驱体和载液，它们在标准PEEK流形内结合形成纳米液滴。使用聚四氟乙烯管和PEEK配件连接歧管和注射器。随后，形成的液滴被引导穿过缠绕在铜加热棒周围的聚四氟乙烯管，或嵌入加热块中，加热块的表面有微槽，以允许快速反应开始。实时光谱分析集成光谱系统可分为线上光谱分析和线内光谱分析。线上光谱系统能够探测反应区内多个位置的反应，适用于快速反应动力学的定量评估。相比之下，线内系统能够在加热后和反应淬火后进行测量。后一种方法通常便于监测动力学相对较慢的反应。
　　Thiele等人利用微流体反应器，将NaBH4溶解在NaOH中，在聚苯乙烯磺酸钠的存在下还原硝酸银得到了银颗粒，所制备的银颗粒可以进一步用作种子形成各向异性的颗粒。在这里使用的微流控反应器包含三种不同的微混合器，以实现化学前驱体的最佳混合，严格控制每个合成步骤用以实现高度均匀的颗粒溶液。所产生的银颗粒可以用作形成各向异性颗粒的晶种，之后再进行晶粒的生长并最终生成三角形状的银纳米颗粒。基于这种纳米银颗粒的合成方法，未来的工作将集中在通过实时反应控制和检测来使用于生物传感的等离子体纳米颗粒的合成的完全自动化上。
　　在纤维的合成方面，有研究人员开发了一种基于同轴毛细管微流体的系统，用于螺旋微纤维的可扩展制造。海藻酸钠溶液的内部流体和氯化钙溶液的外部流体被反方向泵送，当内外流量之比达到一定值时，液体射流开始在通道内产生具有随机方向的螺旋微纤维。通过调节流量，可以生成具有所需直径和节距的螺旋超细纤维。所制备的螺旋微纤维在与磁性纳米粒子或N-异丙基丙烯酰胺混合时可用于智能微球。
　　之后，又有研究人员提出了一种同轴微流控装置，用于产生具有高细胞相容性的可灌注项链状结状微纤维。同样，海藻酸钠和氯化钙溶液分别被选为包裹层和核心。随着Ca2+的扩散，形成凝胶化海藻酸钙层，形成中空通道。未交联的海藻酸钠将定期滴入氯化钙溶液中，形成纺锤状结。特别是无油工艺的优点，使得活细胞可以很容易地被包裹在打结的微纤维中进行培养，为进一步的生物工程研究提供了巨大的潜力。
　　微流控技术与钙钛矿材料
　　液滴微流控平台由于易于控制、调节、分析各种参数，在铯铅卤化物钙钛矿的合成方面得到了较多的应用。Epps等人开发了一个用于室温合成铯铅卤化物钙钛矿纳米晶并系统研究的模块化自动化微流控平台。通过对整个四个数量级反应时间跨度的大量数据收集，对模块化微流控反应器中的纳米晶体生长进行了全面的表征。所开发的高通量筛选平台具有一个定制设计的三端口流动池，该流动池具有平移能力，用于沿长度可调（从3cm到196cm）的管状微反应器原位表征流动合成的钙钛矿纳米晶。平动流动池允许在单一平衡流速下取样20个独特的停留时间。它可以每天在单相和多相流格式连续采样多达30000个独特的光谱。
　　利用这个微流控平台，用氢氧化铯溶液、氧化铅、四辛溴化铵、油酸、甲苯等合成了CsPbBr3钙钛矿，通过原位监测钙钛矿纳米晶体在100ms到17min的停留时间内的吸收和发射带隙，研究了其生长过程。自动化的微流控平台能够系统地研究混合增强对合成纳米晶体质量的影响相似反应时间尺度下单相流和多相流系统的直接比较。
　　Lignos等人报道了一种基于液滴的微流控平台用于合成CsPbX3纳米晶。在线光致发光和吸收测量的结合以及在这样一个平台内试剂的快速混合允许对反应参数进行严格和快速的映射，包括Cs、Pb和卤化物前体的摩尔比、反应温度和反应时间。与类似的批量合成方法相比，这将大大节省试剂使用和筛选时间。对金属卤化物纳米晶成核机制的早期研究表明，尽管卤化物的反应动力学要快得多，但与多金属硫系化合物体系相似。此外，我们还表明，微流控优化的合成参数也可直接转化为传统的烧瓶反应。
　　Maceiczyk等人用微流控反应器，制备了CH(NH2)2PbI3钙钛矿（FAPbI3），研究了其光致发光光谱及反应溶液中的前驱体化学计量是如何影响生成的纳米晶的形状的。首先制备了FA和PbI2的前驱体溶液，并将其装入单独的注射器。精密注射泵随后将溶液输送到基于液滴的微流控反应器中，其中溶液在液滴形成后迅速混合。前体溶液相对流速的调节用于控制单个液滴内反应溶液的化学计量。重要的是，当液滴通过毛细管时，液滴在不相容的载液中被分散和分离。毛细管位于温度控制加热元件内，可精确控制反应温度（±0.1 K）。由于毛细管内的移动距离与反应时间成正比，因此通过评估毛细管沿线的PL光谱来实现动力学分析。
　　具有规则形貌的单晶卤化物钙钛矿晶体可用于制作自然回音腔模式谐振器，具有重要的激光应用价值。尽管人们在合成单晶钙钛矿方面付出了巨大的努力，但控制晶体的横向尺寸和厚度，特别是在纳米尺度上，仍然是一个挑战。Du等人报道了一种简单且高通量的策略，通过表面张力限制（STC）蒸发组装选择性地一步制备微/纳米尺寸控制的全无机钙钛矿单晶阵列。
　　这种方法可以很容易地调整单晶尺寸和选择性地定位单晶，在晶圆尺度上制造钙钛矿单晶阵列具有多功能性。当图形尺寸从2μm增加到25μm时，CsPbClBr2钙钛矿微板的宽度从150nm增加到4.2μm。将微板的宽度固定在1.6μm，随着刷图速度从50 mm/min增加到250 mm/min，可以将厚度从270 nm显著控制到430nm。通过控制微板成分CsPbCl3−xBrx中的x，实现了可调谐发射波长。此外，此研究还提供了一种基于不同三维结构的激光器特性，证实了它们的宽度相关激光模式和厚度相关激光阈值特性，这有利于高性能微激光器的可调谐性。
　　展望
　　微流控技术在经过多年的发展后方法不断更新，其应用领域也得到了很大的拓展。生命科学和医学是当前微流控芯片的主要应用领域，但随着加工技术的提高，微流控已经成功应用在食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学及航天科学等领域。微流控在材料合成领域也得到了越来越多的应用，与钙钛矿制备领域的交叉就是一个突出的例子，例如对材料实时合成实时表征，反应参数的严格和快速的映射促进了更精确的反应控制；再例如采用STC方法实现了不同成分钙钛矿阵列的可控生长，通过改变特定条件，可以很好地控制结晶的横向尺寸和厚度。
　　整体上看，微流控芯片的目标是取代常规分析实验室的所有功能，使所有的合成、检测、分析等过程全部在微流控芯片上实现。因此，微流控技术发展的一个趋势就是通过将各种元件小型化，减小反应的损耗和系统的体积，发展出简易的现场、实时检测分析系统，向着小型化、便携化发展。另外一个趋势就是基于微流控技术的高通量材料合成、表征和检测的一体化平台建设，开辟相比于传统方法具有优势的材料制备、表征的新方法和新领域。在可以预见的将来，微流控技术将会向着生物、医学、化学、材料、微电子等方向多面、快速地发展，并引出更多的高效、便捷的日常应用。扩展阅读
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