田野，邵向鑫

（南京航空航天大學 生物醫(yī)學工程系，江蘇省 南京市 21001）

1 引言

隨著科學的快速發(fā)展，微流控芯片作為一種集微型化、集成化與便攜化于一身的現(xiàn)代分析儀器和分析技術(shù)受到廣泛關(guān)注。微流控芯片也稱為微流控芯片實驗室（Lab on a Chip），其主要研究方法是把生物和化學領(lǐng)域中所涉及的反應、篩選、分離、檢測等基本操作單元分別做成微米尺寸的構(gòu)建，集成到一塊郵票或信用卡大小的芯片上。芯片上有微通道形成的網(wǎng)絡可以控制微流體貫穿整個系統(tǒng)，進而可以實現(xiàn)常規(guī)生物或化學實驗中的各種功能。各種反應物在微通道中充分的混合是實現(xiàn)器件功能的重要條件。然而，微觀尺度下流動的典型特征是雷諾數(shù)低（Re≤1），液體流動以層流為主，使微流控芯片中液體的混合非常困難，反應效率下降，芯片難于集成化。因此，微觀領(lǐng)域下液體的混合問題是微流控芯片技術(shù)發(fā)展中一個亟待解決的問題[1]。

根據(jù)輸入能量的不同，目前微流控芯片中大體上可以分為被動式和主動式兩種微混合方式[2]。被動式混合通常采用改變流道的幾何形狀來增強混合效率，如Hong C C等[3]設計的2D平面Tesla結(jié)構(gòu)通道、Liu R H等[4]設計的3D蛇形混合通道等。但這類方法通常需要復雜的三維幾何結(jié)構(gòu)，對加工技術(shù)提出了很高的要求，而且在極低的Re數(shù)下，其效率也不高。主動式混合則通過外力的作用，如電場促進型、聲場促進型、磁場等促進型主動混合器件等等[2]。

作為一種非接觸的場作用力，磁場在微芯片中的應用受到人們的廣泛關(guān)注[5,6]。Chen C Y等[7]在微通道中設計了磁性人工纖毛，在磁場的作用下，該結(jié)構(gòu)能夠模仿真實纖毛的運動，促進液體間的混合。Ryu K S 等[8]在微通道中制作了能夠在外磁場作用下旋轉(zhuǎn)的坡莫合金磁力微攪拌棒。這些方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)微通道中液體間的快速混合，然而器件加工過程多次采用光刻、沉積、電鍍等技術(shù)，工藝過于繁復。我們在之前的研究中，利用飛秒激光微納加工技術(shù)在微通道中加工了用于微混合的磁性微型渦輪，實現(xiàn)了微芯片中3D功能器件的設計、加工及驅(qū)動[9]。但是，由于微通道對激光聚焦的影響，導致器件表面粗糙度加大，影響器件性能。而且，前面的工作中，器件的結(jié)構(gòu)比較復雜，對加工設備及制作工藝有很高的要求，不利于磁性微混合器的應用。針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種微通道中簡單可行的磁性微混合的方法，通過對高溫分解法合成的Fe3O4磁性納米粒子進行表面修飾制備成磁流體，將磁流體與待混合液體加入到通道中，通過外加磁場力可以改變液體內(nèi)磁性粒子的運動狀態(tài)，進而達到控制液體流動、實現(xiàn)主動混合的目的。

2 實驗裝置和方法

2.1 磁流體的制備

實驗中所用的Fe3O4磁性納米粒子由高溫分解法制備。在100mL三口瓶中分別放入2mmol Fe(acac)3，10mmol 1,2-十六烷二醇，6mmol油酸，6mmol油胺和20mL二芐醚，在氮氣保護下磁力攪拌。將反應物升溫至200℃后恒溫2小時，之后將再次升溫至290℃回流1小時。將反應得到黑色產(chǎn)物冷卻至室溫，反復用乙醇和正己烷清洗，得到油酸包覆的Fe3O4納米粒子。如圖1所示，納米粒子呈現(xiàn)出很好的分散性，粒徑約為6nm，飽和磁化強度約為56 emu/g。

圖1Fe3O4磁性納米粒子

油酸包覆的納米粒子很難在水、乙醇等極性溶液中分散，故需要對該粒子進行表面修飾。取已經(jīng)合成的油酸包覆的Fe3O4磁性納米粒子100mg分散在20ml丙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（PO3-TMPTA）中，室溫下磁力攪拌24小時。Fe3O4納米粒子即均勻分散在PO3-TMPTA中，得到深棕色溶液。反復清洗后得到改性后的納米粒子，將其分散在乙醇中，形成磁流體狀態(tài)。

2.2 微通道及驅(qū)動裝置

使用軟光刻[10,11]的方法用PDMS（SYLGARD 184, Dow Corning）制作Y型微通道，微通道結(jié)構(gòu)如圖2所示，分支通道寬50 μm、深30 μm，主通道寬100 μm、深30 μm。實驗時，使用一臺注射泵同時推進兩個注射器，一個裝有去離子水，另一個裝有納米磁性液體，設置注射泵不同的推進速度就可以得到不同平均Re數(shù)。

圖2Y型通道示意圖

外磁場由棒狀釹鐵硼磁鐵提供，磁鐵表面磁場強度約1000Gs，實驗時混合區(qū)域的磁場強度約為300Gs。

2.3 圖像采集及處理方法

實驗時，通過CCD采集黑白圖像，使用10×物鏡，采集頻率32.2Hz。由于CCD視野較小，通過移動顯微鏡平臺連續(xù)拍攝150張照片，記錄微通道中液體混合過程。

由于去離子水和磁性納米液體在白光下灰度值不同，通過計算不同位置處的灰度標準差來計算混合效果。首先，將CCD拍攝的照片沿流向順序銜接，得到一張微通道全程照片。從入口開始，沿流向每隔500個像素點取一塊區(qū)域，按照30×53點陣讀取灰度值，然后計算其標準差。以入口處所取區(qū)域的標準差為基準，計算沿流向各處混合率。混合率計算公式[12,13]為：

其中εi表示沿流向第i塊區(qū)域的混合率，gjki是第i塊區(qū)域中各點的灰度值， 是第i塊區(qū)域中灰度平均值，gjk1和 分別是第i塊區(qū)域中各點的灰度值和灰度平均值。

由于本實驗使用注射泵為推進裝置，其質(zhì)量流量是一定的，通過質(zhì)量流量計算得到平均Re數(shù)。設置注射泵分別為2ul/min，則相對應的平均Re數(shù)為1.0。

3 實驗結(jié)果

圖3為Re=1.0，樣品在有/無外磁場下的照片。右側(cè)為入口，流動方向由右向左。上部黑色液體為含磁性納米粒子的液體，下部為去離子水。從圖中可以看出，沒有磁場時，兩種液體涇渭分明，在視野范圍內(nèi)沒有發(fā)生有效混合。而有磁場時磁性納米液體與去離子水很快混合，在視野范圍內(nèi)基本完成有效混合。

圖3磁場對微通道內(nèi)液體混合的影響

圖4是磁性液體與去離子水沿流向的混合率分布圖。沒有外磁場時，在8mm處，混合率仍小于60%。而在外磁場的作用下，兩種液體在1.2mm處就達到了77%的混合率，基本實現(xiàn)了充分混合?？梢?，外加磁場對兩種液體的混合效果影響非常顯著。

圖4混合率與混合距離關(guān)系

這種依靠磁性納米粒子的磁微混合器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、混合效果顯著等優(yōu)勢，在微流控芯片中有著廣泛的應用前景，有望在微流控芯片中的化學合成，生物分子的標記、提取，微傳感，目標分子的檢測等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論

通過高溫分解法制備Fe3O4磁流體，將其與去離子水同時注入到Y(jié)通道中。分別在有磁場和無磁場的條件下利用CCD對兩種液體的混合情況進行觀測。實驗結(jié)果表明，在外磁場的作用下，兩種液體在1.2mm處即實現(xiàn)了充分混合，而沒有磁場時，此處混合效率不足10%，磁場對微通道中兩種液體的混合增強作用可見一斑。本研究為解決微流控芯片中液體混合難的問題提供了有效的解決途徑，為微流控芯片技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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