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磁流体微流控技术

1. 简介
   微流体磁性操控在微流控技术中应用广泛。因为磁场是非侵入性的，可以通过不直接接触流体的外部磁体提供磁场来操纵在微流体通道内的磁性颗粒或磁性流体。铁磁流体是一种特殊的磁性流体。铁磁流体是磁性纳米颗粒在非磁性载体流体中的稳定胶体悬浮液，具有磁性和流体性质。利用外加磁场可以控制其流体运动，即使在强磁场作用下也能保持其流体特性。铁磁流体可以像单组分流体一样在微流体装置的微通道中移动。本文将概述铁磁流体在微流体装置中的应用，包括泵送、混合、液滴产生、分选和分离、阀门和密封以及数字微流体。
2. 微流控技术中的铁磁流体
   一种磁性流体或铁磁流体，由分散在液相(如水或有机溶剂)中的磁铁矿、磁赤铁矿或铁钴等磁性材料颗粒组成的流体。颗粒的尺寸一般为5-20纳米，颗粒数量为1023个/立方米[1]。如果粒子足够小，大约15纳米或更小，铁磁流体表现为均匀悬浮溶液。这意味着粒子在布朗运动中保持悬浮状态，而不会由于重力或磁场而沉降。为了保持相邻粒子之间的间距，纳米粒子表面通常会修饰一层表面活性剂，否则它们会由于磁力和范德华力而粘在一起。铁磁流体在自然界中不存在，因此必须通过人工合成。制备铁磁流体有两种方法:
   1.一步法:直接在基液中制备纳米粒子
   2.两步法:首先制备纳米粒子，然后在基液中分离再分散。
   铁磁流体具有超顺磁特性。超顺磁性是指当磁场存在时，这些粒子被磁化，但当磁场被移除时，它们就像非磁性材料一样，因为它们没有磁性记忆。
   

铁磁流体中的磁颗粒小到足以包含一个磁畴，因此净磁化强度与温度有关。在临界温度下，即居里温度(TC)，铁磁流体的磁矩就会朝一个方向排列，从而产生净磁化。当温度超过居里温度时，磁矩变得随机定向，铁磁流体失去其净磁化。因此，其中一个应用就是借助温度梯度导致铁磁流体非均匀磁化，铁磁流体将受到一个开尔文体力，会诱导流体沿热梯度流动。这种热磁效应可以在不需要泵的情况下驱动铁磁流体[2]。磁性纳米颗粒的导热系数通常比基础流体高出几个数量级。因此，纳米颗粒的加入显著提高了基础流体的导热性。这通常定量地表现为热导率的增强或对流换热系数的增强。磁场的作用进一步增强了铁磁流体的传热系数。这被认为是由于磁性纳米粒子沿应用的磁场方向排列，形成的链状结构提供了导热途径[3]。这些结果已经在主动和被动式的对流换热条件下观察到。因此，铁磁流体被用作传热流体，例如用于冷却一些微型装置[4]。

3.微流控系统中的铁磁流体

在微流控装置中，作用于铁磁流体的外部磁场可以由永磁体或电磁铁产生。它们可以被放置在微流控设备的外部，也可以被集成到微流控装置中。集成磁铁在微流控装置中的优势是磁铁靠近流体，只需较低的场强即可。然而，这需要更复杂的制造工艺，甚至需要超净间。

磁致热泵

如前面所述，产生热磁对流的磁热效应可用于在微芯片中泵送流体。Love等人[5]报道了一种磁热泵，它只用一个热场和磁场来驱动微通道中流体的流动。他们使用了一个低居里温度的铁磁流体塞子，该塞子被磁场吸引到一个区域。然后对铁磁流体塞进行加热，当其温度接近居里温度时，流体的磁性减弱，然后较冷的流体被磁场吸引并取代加热的流体。这最终将建立一个持续流体流动，泵被用来推动非铁磁流体通过微流控系统。原理如图2所示。

磁流体泵

Hatch等人[6]提出了一种铁磁流体泵，其中铁磁流体作为塞子，通过微通道被用来泵送非铁磁流体。铁磁流体和非铁磁流体必须是互不相溶的液体。他们的设备包括一个带有两个铁流体塞的循环泵和两个控制塞运动的外部磁铁。一个外部磁铁固定一段铁磁流体塞子在进口和出口之间，作为一个关闭的阀门。另一个外部磁铁绕着圆形旋转控制铁磁流体塞子延圆形圈旋转，就像一个活塞，将液体从圆形通道中推拉出来。

磁流体阀

Hartshorne等人[7]展示了在玻璃制造的微流体芯片中使用约10mm长的铁流体塞作为阀门和密封组件。他们研究了在三种不同的微流体条件中，铁磁流体作为塞子的性能；在直流道上的塞子密封，有Y形阀，也有井阀。他们用永磁体操纵铁磁流体。这种阀门可以在低压差的情况下很好地开启和关闭，但是在较高的压力下，他们观察到随流体顺流而下的会有一小部分铁磁流体的损失。

磁流体混合

混合是微流体的一个关键技术，快速混合是许多生物和化学分析的必要条件。包括被动和主动两种方式，已经有多种提高混合效率的方法被提出。主动混合器通常比被动混合器具有更高的混合效率，但通常也需要更多的能源和更高的制造成本。主动混频器的另一个问题是焦耳加热可能会损害生物样品。Tsai等人[8]开发了一种简单的低成本Y形微混合器，用于研究水基铁磁流体与水的混合。他们在微通道的正下方放置了一块永磁体，并通过改变容流体速度和通道宽度来提高混合效率。他们发现，在永磁体作用下，铁磁流体与水的混合效率可以达到90%以上，而在同一种微通道内仅通过扩散的混合效率始终低于15%。这种磁力混合器具有不消耗能量、不产生热量的优点。其他类型的磁性微混合器也被提出，如由传统搅拌器旋转的微观搅拌棒[9]或磁粒子的磁泳作用[10]。

微液滴形成

在微流控系统中，铁磁流体液滴可以通过传统液滴生成方式在T型结构或流聚焦结点形成。在不相溶的流体或平面或衬底中，利用外部磁场可以操纵铁磁流体液滴。Tan和Nguyen[11]研究了在小型圆形永磁体产生的磁场存在下，微流控芯片的T型结点处铁磁液滴的形成。他们发现，在没有磁场的情况下，液滴的大小随连续相的流速线性变化；在磁场的作用下，液滴的大小可以通过磁场强度、铁磁流体的磁化强度和磁体的位置来控制。将磁铁置于T形结点的上游会导致更大的液滴的形成，因为磁力具有将正在形成的液滴往回拉的趋势，推迟了液滴的分离。将磁铁放在下游会产生相反的效果，加速液滴的分离，会产生较小的液滴。

磁铁数字化微流控技术

在数字微流控技术中，液滴可以在平坦的开放表面上操纵，分散的液滴可作为化学或生物反应的单独反应室，或用于试剂的运输。在磁性数字微流微流控技术中，含有磁性颗粒的液滴，是由永磁体或电磁铁操纵的。Nguyen等[12]研究表明，固定在表面的铁磁流体液滴可以被永磁体操纵变形，改变其表观接触角，同时表观接触角随磁场的增加而减小，这种现象被称为磁阻现象。磁体放置在一个平坦的表面下，如果磁力足够强，克服摩擦力和毛细力产生的阻力，液滴就能与磁体以相同的速度沿平面滑动。

4.结论与展望

磁流体操纵的优点包括能够控制流动和传递特性(如传热)，以及不受pH值、表面电荷或离子浓度的影响。然而，磁微流体主要仍处于概念验证阶段。在将这些技术付诸实践之前，必须克服几个挑战。铁磁流体的一般问题是由于表面活性剂用于提高铁磁流体的稳定性而造成的污垢和微通道堵塞。此外，铁磁流体的纳米特性还没有被完全理解，必须进一步研究才能真正开发其独特的特性。

参考文献

1. Cowley, M.D., Ferrohydrodynamics. By R. E. ROSENSWEIG. Cambridge University Press, 1985. 344 pp. £45.Journal of Fluid Mechanics, 1989. 200: p. 597-599.
2. Singh Mehta, J., et al., Convective Heat Transfer Enhancement Using Ferrofluid: A Review. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2017. 10(2): p. 020801-020801-12.
3. Azizian, R., et al., Effect of magnetic field on laminar convective heat transfer of magnetite nanofluids.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014. 68: p. 94-109.
4. Goharkhah, M. and M. Ashjaee, Effect of an alternating nonuniform magnetic field on ferrofluid flow and heat transfer in a channel. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2014. 362: p. 80-89.
5. Love, L.J., et al., A magnetocaloric pump for microfluidic applications. IEEE Transactions on NanoBioscience, 2004. 3(2): p. 101-110.
6. Hatch, A., et al., A ferrofluidic magnetic micropump. Journal of Microelectromechanical Systems, 2001. 10(2): pBsports官网. 215-221.
7. Hartshorne, H., C.J. Backhouse, and W.E. Lee, Ferrofluid-based microchip pump and valve. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004. 99(2): p. 592-600.
8. Tsai, T.-H., et al., Rapid mixing between ferro-nanofluid and water in a semi-active Y-type micromixer. Sensors and Actuators A: Physical, 2009. 153(2): p. 267-273.
9. Yuen, P.K., et al., Microfluidic devices for fluidic circulation and mixing improve hybridization signal intensity on DNA arrays. Lab on a Chip, 2003. 3(1): p. 46-50.
10. Ganguly, R., T. Hahn, and S. Hardt, Magnetophoretic mixing for in situ immunochemical binding on magnetic beads in a microfluidic channel. Microfluidics and Nanofluidics, 2010. 8(6): p. 739-753.
11. Say-Hwa Tan and Nam-Trung Nguyen and Levent Yobas and Tae Goo, K., Formation and manipulation of ferrofluid droplets at a microfluidic T -junction. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010. 20(4): p. 045004.
12. Nguyen, N.-T., et al., Magnetowetting and Sliding Motion of a Sessile Ferrofluid Droplet in the Presence of a Permanent Magnet. Langmuir, 2010. 26(15): p. 12553-12559.