在微尺度环境中,流体的质量传输主要受黏性效应的支配,而非惯性效应。
因此,在忽略惯性效应的情况下,微流体通常呈现层流状态。
在微流体流动的研究中,表面效应尤为关键,随着流体尺度的缩小,表面张力等表面现象对流体行为的影响变得愈加显著,甚至可能主导流体的流动特性。
在微流控系统中,流体通常需要经过多个功能模块的处理与反应,最终实现其检测或分析目的。
目前,微流体驱动技术大致可分为两类:被动式和主动式。
被动式驱动技术依赖于微流控芯片的结构与设计,通过自然现象(如毛细现象、重力等)实现流体的流动,无需外部动力。
而主动式驱动技术则需要外界提供额外的动力来推动流体流动,例如通过施加正负压、电磁力或离心力等方式。
对于被动式驱动技术,微流控系统利用微通道结构、材料或微流体性质等,无需外部动力就可以驱动微流体,常见的被动式驱动技术包括毛细管驱动、表面张力驱动、重力驱动等。
毛细管驱动技术利用毛细现象在微通道中推动流体流动,无需外部动力源。
毛细现象是液体在细管内壁自动上升的现象,源于液体的内聚力与附着力之间的差异,这种力克服了液体的重力和黏性作用,表现为表面张力与毛细管的润湿特性相互作用的结果。
在这一过程中,毛细管的表面特性、流体的物理性质以及毛细管的内径形状都会对液体上升高度产生影响。
毛细管驱动技术因其成本低、设计简单、操作方便等优点,成为一种常见的微流体驱动方式。
但毛细管驱动的流速较慢、控制精度有限,通常适用于对精度要求不高的初筛检测场景。
毛细管驱动将更可能作为一种辅助驱动方式,与微泵等主动驱动技术结合,提升流速和控制精度,从而满足更高要求的应用需求。
表面张力驱动技术通过物理或化学手段调控微通道表面的润湿性,形成亲水区与疏水区之间的界面,利用这两个区域间的表面张力差异来驱动微流体朝指定方向流动。
这种驱动方式依靠材料润湿性差异,无需额外的能量输入,简单、高效,但很难实现材料润湿性的精确梯度调控,以精确驱动微流体。
为了提高流动控制的精确度,基于电润湿效应的数字微流控技术,因其较高的调控精度,逐渐成为研究的热点。
重力驱动技术因其结构简单、成本低廉而受到青睐,但其驱动力较弱,且会受到流体黏度等因素的影响,难以实现高流速和高精度的流体控制。
未来重力驱动技术发展的方向可能是与主动式驱动技术相结合,以减少外部动力需求。
主动式驱动技术是指微流控系统需要外部动力源来驱动微流体的驱动技术,常见的主动式驱动技术包括气体驱动、电磁驱动等。
不同于被动式驱动技术,主动式驱动技术往往能够提供精确和可调节的流体驱动,适用于需要高速、高精度流体驱动的应用场景。
压力泵驱动技术是指基于外部宏观的压力泵给予微管道内气动压力,从而驱动微流体在微通道内流动的驱动技术。
压力的来源多采用外接压力泵的方式,也可通过直接挤压柔性膜形成正负气压差来驱动微流体。
微泵可以精准驱动微流体,根据其不同的工作原理可分为电磁式微泵、磁流体微泵、气动式微泵、电渗式微泵、静电式微泵、压电式微泵及热气泡式微泵等。
离心式微流控系统利用芯片旋转时产生的离心力作为驱动力,通常由多个腔室、微流控阀等组件构成。
通过调节离心速度,系统能够精确地实现微流体的转移、混合、等分及进样等操作。
离心式微流控的主要优势在于能够显著简化检测流程,将多个操作步骤集成到单一微流控芯片上,方便实现集成化设计,非常适合现场即时检测。
离心力驱动也存在一些缺点。
例如,常用的PDMS材料可能会吸附核酸分子,进而影响洗脱操作;另外就是不同批次的芯片可能存在一致性问题,芯片结构的精度也会对转速调控下的流体驱动产生影响。
数字微流控(DMF)是一种基于微电极阵列的新型微流体驱动技术,能够精确控制液滴在预设路径上按编程指令移动、合并或拆分,液滴的体积可以从皮升到微升。
数字微流控的驱动机制主要包括介电润湿驱动、磁力驱动和光诱导驱动等。
其中,基于介电润湿效应(EWOD)的液滴驱动技术因其卓越的集成性和操控便捷性,成为最为主流的数字微流控技术。
EWOD技术源于电润湿效应,通过在液滴和电极之间增加介电层和疏水层,有效避免了液滴与电极的直接接触,从而保护电极。
根据底板数量的不同,EWOD驱动可分为单板式和双平行板式两种形式,底板由基底、电极、介电层和疏水层构成。
通过施加一定频率和幅值的方波脉冲电压,可以调节微液滴的表面张力,从而改变其接触角,进而精确控制液滴的运动路径,实现在设定路径上的精细操控。
数字微流控优势是能够驱动微升至纳升级别的液体,大大缩短反应时间,甚至只需一滴液体即可完成反应,减少试剂消耗并节省实验成本。
不足之处在于设计和制造过程较为复杂,制造成本较高,并且检测样本的通量相对较低。
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