图解微流控｜第2期

发表时间：2021-08-27 16:54

绪论（二）

1.4 微流控芯片的基本特征

微流控芯片实验室的基本特征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。这种集成的直接好处是样品处理时间的大幅缩短，检测分辨率/灵敏度的显著提高以及消耗和成本的大幅降低。更为深远的意义则在于，它极有可能使微流控芯片实验室的整体设备小型化，家庭化，最终像手机一样普及到个人，从根本上改善人类的生存质量。图1-11所示为微流控芯片实验室的一个典型案例。

图1-11一种全集成核酸分析芯片^[6]

（a）芯片照片示意；（b-f）芯片上集成的各种操作单元

1.5 微尺度下流体的基本特征

现有典型的芯片尺寸约为几个平方厘米，操作单元的尺度在微米量级（图1-12）。相对于宏观尺度和更小的纳米尺度，微米尺度下的流体具有若干基本特征。

图1-12 微小尺度下的常用度量衡换算关系和直观图解

（a）一根头发放在一个硬币上（头发直径：~75 μm；硬币直径：~1.9 cm）；（b）一根导光纳米纤维缠绕在一根头发上（纳米纤维直径：~50 nm：头发直径：~75 μm），该图近大远小；（c）一根多层导电纳米纤维，中心红色层的直径为~100 nm，纤维左侧白竖线的宽度为~400 Å；（d）一个原子的直径通常在几个Å；（e）一滴水的体积约为10 μL

（1）微米尺度远大于通常意义上分子的平均自由程。因此，一般认为连续介质定理成立，连续性方程可用，流体仍然可用纳维埃-斯托克斯方程描述，电渗和电泳淌度依然和尺寸无关，所有这些实际上意味着微米尺度下的流体运动具有宏观尺度下流体运动的一些最基本的共性，也因此，一般而言，人们仍可以采用处理宏观尺度下流体的方式来处理微通道中的流体，也即微通道中的流体具有良好的可控性。

（2）微米尺度和纳米尺度有本质的区别。纳米尺度和分子平均自由程相仿，因此电泳淌度可能变得和横截面尺寸有关，偶电层电荷可能重叠，电渗可能减少，进而影响给予液体的动量。此外空间的压缩将会改变大分子的形状，大分子的淌度也将受到非平面流速矢量场的影响，所有这些因素将最终导致流体的控制相对困难，当然也会因此造就一系列新的机遇。

（3）微米尺度下流体运动也有其不同于一般宏观尺度的流体运动的个性。相对于宏观尺度，微流体的面体比增加，包括表面张力、粘性力、换热等在内的表面作用增强，惯性力影响减弱，雷诺数变小，边缘效应增大，三维效应变得不可忽略；此外，由于线性尺寸减小，物理量梯度提高，传热传质的推动力增加。这些特点使得微尺度流体可以实现若干宏观流体不能实现的功能。微米尺度下流体运动最基本的特征是层流，包括由层流引起的质量传递的变化。微流体的另一个特征是电渗，电渗的概念在毛细管电泳领域多有涉及，在芯片通道中同样存在，只是电渗的状态因通道表面材料的不同而变得更加复杂。当然，微米尺寸本身也将直接导致相变和热量传递的变化。本节随后将从上述几个方面进行阐述。

1.5.1 层流

微流体流动过程中，惯性力影响很小，粘性力起主导作用，以惯性力与粘性力之比定义的流体雷诺数Re变得很小，流体各质点平行于通道内壁有规则流动，呈层流状态（laminar flow）。当两股或多股流体汇合于同一微通道时，它们倾向于并排前进而非对流或湍流混合。

在宏观流体力学中，一般认为Re数小于2000为层流，大于4000为湍流，2000-4000为过渡状态。在微流控芯片的微通道中，如果以水为工作介质，流体的Re数通常在10-6-101之间。

层流提供了在微小空间内控制样品浓度、宽度、温度等指标的可能性（图1-13），是微流控芯片得以实现强大功能并具有宽广应用面的重要原因。

图1-13层流在胚胎发育研究中的应用^[7]

（a）通道网络模型；（b）温度对胚胎发育速度的影响，方块区域内的白点指示胚胎中的核子，核子数目可表征胚胎发育的速度

1.5.2 传质

流体在微通道中以层流的形式运动，层与层之间的质量传递主要依靠扩散，扩散是物质通过分子运动而自发产生的输运过程。扩散传质可用下式描述：

2t=l²/D 公式（1-1）

式中t为达到稳态扩散所需时间，l为传质距离，D为扩散系数。

相对于对流和湍流，层流中扩散传质速度很慢，特别是生物大分子。对于生化领域中许多要求快速传质的应用，往往需要其他手段加速传质，这些手段将在第6章系统论述，此处举一例说明（图1-14）。

图1-14大肠杆菌促进微通道内传质原理展示^[8]

（a）微通道内并行三层流体，随着流体的流动，中间层流体内的荧光染料逐渐向两侧扩散，荧光带渐宽；（b）当中间层流体加入大肠杆菌时，由于大肠杆菌自主向两侧运动，荧光染料带向两侧的扩展的明显加强；（c）和（d）利用大肠杆菌的生物特性，还可实现荧光染料带的定向漂移

1.5.3 电渗

广义地讲，电渗是一种流体相对于带电管壁移动的现象，电渗的产生和偶电层有关。在溶液pH＞3的条件下，微通道内壁通常带负电（缘于表面电离或吸附），于是在表面附近的液体中形成了一个带正电的偶电层（包含stern层和扩散层），在平行于内壁的外电场作用下，偶电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道内流体朝负极方向运动，这种运动即被称之为电渗（图1-15）。

图1-15 电渗流原理示意

（a）双电层示意；（b）扁平状流动形态

电渗可被用于驱动微流控芯片中的流体，电渗流流速由下式计算：

v=ζεΦ/4πμ 公式（1-2）

ζ为zeta电势（stern层与扩散层之间的电势差），ε为介电常数，Φ为外电场，μ为流体粘度。

电渗驱动具有如下特点：（1）流速大小可由外电场线性调节；（2）施加外电场的电极可以集成在芯片上，从而缩小了芯片流体驱动系统的体积；（3）各种芯片材料均可诱导电渗流；（4）流体前沿为扁平状。

电渗驱动方法最重要的应用领域是芯片电泳，因其扁平状流型，可以使样品区带的扩散减至最低，从而获得极高的分离效率（理论塔板数超过106/m）。与之相对应的是压力驱动方法，在压力驱动系统中，液体和通道内壁接触处的摩擦力会导致压力降低，从而使流线呈抛物型，造成样品区带的扩散，降低分离效率（详见第7章）。

1.5.4 传热

微通道尺度微小，比表面积很大，体系内的传热迅速，该特性利于放热体系温度的控制。譬如，化学合成中有一类氟化反应，这类反应强放热（C-H→C-F， ∆H=-430 kJ/mol），导致反应体系温度升高，反应产率降低。当这类反应在微通道内进行时，由于热量能及时散发，反应可以在恒温条件下进行，反应产率和转化率相应得到提高（图1-16）。

图1-16芯片上的氟化反应^[9]

（a）芯片设计示意；（b）反应方程式；（c）反应相关数据列表，与宏观反应体系相比，反应产率和转化率均有所提高（宏观反应体系数据未列出）

1.5.5 相变

微小体系下的相变与宏观体系截然不同。以水→冰为例，微量水含有的成冰晶核数量少，凝结困难，零度以下往往也不会成冰，这种水称为过冷水。过冷水在理论上可以提高某些重要化学反应的产率，但在实际中难以实施，主要原因在于过冷水不稳定，其内部稍有对流或湍流形式的扰动，就会使成冰晶核的数量骤增，水迅速凝固。

微通道网络因体系微小很容易产生过冷水，水的凝固点与微通道的粗细有关，最低可至-27℃（图1-17（a））。因网络内的流体属层流，这种过冷水能够在流动中稳定存在，因而可被应用于化学合成。将过冷水应用于图1-17（b）所示非对称化学反应，其产率比常温时提高了近10%（图1-17（c）），芯片设计如图1-17（d）所示。