微流控液滴跨界面迁移

1.    液滴跨界面迁移

操控微流控液滴进行相间转移的关键在于精准控制液滴的定向移动，包括液滴在相内和相间的移动。实现微通道内液滴定向移动的方法主要分为主动方式和被动方式，这两种方式各有优劣。

主动方式依赖外力来实现液滴的定向移动，如通过外加磁场、声场、电场等。其优势在于可以通过调整外场的方向和强度来精确控制液滴的移动方向和驱动力的大小，从而实现对液滴更为精准的操控。

此外，主动方式为操控特殊流体（如磁流体）提供了新的思路。然而，这种方式需要复杂的设备和更多的人工调控，因而增加了设备成本、人工成本和能耗。

被动方式则不依赖外力，例如利用特殊的微通道结构、流体动力学或流体本身的性质来诱导液滴的定向移动。

被动方式的优势在于液滴移动是自发的，无需系统输入额外能量或进行人工干预。然而，由于受到流场扰动的影响，被动方式的操控精度一般低于主动方式，操作范围也较小。

微通道中液滴的跨界面迁移具有两个特点：首先，液滴所处的环境发生了改变；其次，液滴跨界面迁移的过程伴随着液滴与界面的相互作用。这两个特点决定了液滴跨界面迁移的应用。

基于液滴所处环境的不同，液滴的跨界面迁移可以用于引发反应，在凝胶制备、药物输送、药物缓释等领域具有巨大的应用潜力。

同时，通过对微通道结构和流体的设计，可以实现液滴的尺寸筛分和性质筛分，这在细胞分析等领域有广泛的应用前景。

此外，液滴与界面的相互作用为球形材料的合成提供了新的思路。例如，在液滴跨界面迁移过程中，液滴与界面的相互作用为磷脂双分子层提供了细胞所需的曲率，这为解决合成生物学中球形磷脂囊泡的合成难题提供了新的方法。

2.    实现微流控液滴定向移动的方法

1)    主动方式

a)    外加声场

通过声场控制液滴的定向移动因其具有无标记、无接触、高生物相容性等优势，已成为广泛研究的领域。在微通道中，常用的两种声波模式分别是表面声波和体声波。

表面声波是一种沿着压电衬底表面传播的波，可进一步分为表面行波和表面驻波。体声波则是一种在材料内部传播的超声纵波。这两种波在液滴定向移动中都有重要应用。

声波与介质的相互作用会产生两种主要的声学现象：声辐射效应和声流效应。液滴的迁移主要通过这两种现象来实现。

声辐射效应是指声波在传播过程中与物体表面发生反射、折射和散射等物理效应，同时与物体发生能量交换。宏观上表现为声波对物体施加力，从而推动液滴移动。

声流效应则指声波在液体中传播时引起液体分子的振动和运动，伴随着液体内部压力的变化，从而导致液体的宏观流动。这种流动也会影响液滴在流体中的运动。

声辐射效应和声流效应共同作用，决定了液滴在声场中的定向移动和流动行为。

b)    外加电场

通过外加电场驱动液滴的定向位移，可以快速、高通量且精准地控制液滴中的可测电荷。这种方法具有显著的优势，但也存在一定的限制。

电场驱动液滴迁移的前提是液滴中必须存在足够的自由电荷，或者要求连续相和分散相流体之间的电导率或介电常数差异足够大。只有在这些条件满足的情况下，电场才能在液滴上产生足够的界面应力或体积应力，从而推动液滴的定向移动。

由于这些严格的条件限制了电场驱动方法的适用范围，因此该方法在某些特定应用场景中可能无法实现理想的效果。

c)    外加磁场

通过外加磁场操控液滴在微流控设备中定向移动，具有能够实现远程操作以及制造和集成相对容易的优势。外加磁场也面临与外加电场类似的问题，即对微通道内流体的特性要求较为苛刻，难以满足某些生物或化学相容性的条件。

相比于电场，磁场在空间中的分布不受液-液界面的影响，因此更有利于液滴的跨界面迁移。与其他外场相比，磁场的响应速度较慢，开关频率通常只有几赫兹或更低。

根据使用的磁体类型不同，液滴的磁控迁移可分为利用电磁体和利用永磁体两种方式。电磁体产生的磁场强度可以通过调节电流来控制，但在大电流条件下会产生过多热量，这不利于热敏性物质或大多数生物样品的分离。因此，在微流控平台中，永磁体因其不产生过多热量而更受到关注。

2)    被动方式

a)    利用流体动力学

利用流体动力学诱导液滴在微通道中向指定方向进行径向位移，主要依靠在连续相对液滴两侧施加不相等的剪切力来实现。在两相流中，液滴的径向位移已经得到了广泛的研究。

在低雷诺数条件下，液滴通常会倾向于移动到剪应力为零的位置（例如，对称通道的中心）。对于微通道内的并行流来说，液-液界面的存在会改变通道内的速度分布。当位于某一连续相中的液滴的平衡位置处于另一连续相中时，液滴会在剪应力的作用下穿透液-液界面，迁移到另一相中。

这种液滴迁移机制为液体在微流控通道中的定向控制提供了一种新方法，同时也为在复杂流体环境下的液滴操控提供了理论基础。

b)    利用通道构型

尽管非惯性升力在液滴的跨界面迁移中起到了主导作用，并在一定程度上解决了试剂浪费、通道堵塞和操作耗时等问题，但仅依靠非惯性升力来驱动液滴的跨界面迁移，存在操作范围小的局限性。为此，设计和改良微通道的结构成为一种有效的解决方法。

一种被称为流动诱导法的方法是在微通道中设置微结构，使其与液滴直接接触，从而引导液滴的流动方向。例如，由单排整齐排列的微柱形成的微栏杆结构可以让连续相通过，而液滴由于界面张力的作用无法通过。这种微结构近年来已被用于操控液滴的定向迁移，展现出良好的效果。

c)    利用流体性质

在利用流体动力学和通道构型诱导液滴跨界面迁移的实践和理论中，通常认为液滴在驱动力的作用下克服液-液界面的阻碍而发生迁移，因此界面张力被视为一种阻力。

近年来，一种基于液滴界面能最低原理的液滴自发相间转移方法逐渐成为研究热点。在这种方法中，界面张力反而成为了推动液滴跨界面迁移的驱动力。

通过利用液滴自发追求界面能最低状态的特性，液滴在跨界面迁移过程中自发移动，以达到更低的能量状态。这种自发迁移方式提供了一种无需外部能量输入的液滴操控方法，为微流控技术的发展开辟了新的方向。