李宇杰，霍 曜，李 迪，唐校福，史 菲，王春青

（1.哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學（威海）材料科學與工程學院，山東威海 264209）

微流控技術(shù)是指在至少有一維為微米甚至納米尺度的低維通道結(jié)構(gòu)中控制體積為皮升至納升的流體進行流動并傳質(zhì)、傳熱的技術(shù)，可廣泛應用于生化分析、免疫分析、微創(chuàng)外科手術(shù)、環(huán)境監(jiān)測等眾多領域［1］。

微流控技術(shù)的核心內(nèi)容包括以下幾方面。

1）微通道結(jié)構(gòu)的設計與制造 當通道的特征尺寸在微米甚至納米量級時，通道表面積與其內(nèi)部空間的體積之比很大，通道的結(jié)構(gòu)、形狀和壁面性質(zhì)都將對其中的流體流動狀態(tài)產(chǎn)生極大的影響。如何設計并制造出結(jié)構(gòu)合理、尺寸精確、壁面性質(zhì)可控的微通道，是控制微流體的前提。

2）微納尺度流體的驅(qū)動與控制 微納尺度下的流體與宏觀流體相比，其流動狀態(tài)和傳輸特性有很大不同，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應［2-3］。隨著通道特征尺寸的縮小，流體的體積減小，重力往往可以忽略不計；但此時流體的比表面積增加，宏觀下通?？梢院雎缘谋砻鎻埩φ紦?jù)主導地位，通道中液-固、液-液及液-氣界面的形態(tài)、尺寸和位置成為影響流體流動狀態(tài)的主要因素之一。微納流體流動的雷諾數(shù)（Re）極低，其值通常遠小于100，屬于典型的層流，流體黏度的影響遠大于慣性的影響，流動阻力大，流體各部分混合困難。而另一方面，微納流體流動的伯克利數(shù)（Péclet number）較大，流體中分子、原子或其他微觀粒子的隨機擴散過程將不可忽略。這些特點都使得微納流體的驅(qū)動和控制較為困難。

3）微流控器件及系統(tǒng)的集成與封裝 微流控器件是目前微機電系統(tǒng)（MEMS）領域中主要的分支之一。隨著制造和集成技術(shù)的不斷提高，微流控器件也日益向小型化、多功能化方向發(fā)展，其中往往集成有多種微電子或微機械器件，形成具有完整功能的片上系統(tǒng)（system on a chip，SOC）。然而，由于微流體器件涉及的材料種類多、制備工藝與傳統(tǒng)的微電子制造工藝不兼容、微流體的密封與絕緣難度較大等原因，目前微流體器件發(fā)展中最大、最困難的問題就是與IC電路及器件的集成與封裝。

本文將針對以上要點內(nèi)容，綜述近年來微流控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在不同領域中的應用，并由此展望微流控技術(shù)的發(fā)展前景，歸納今后的研究方向與重點。

1 微通道的結(jié)構(gòu)與制備

微流控系統(tǒng)中流體需要在一定尺寸和結(jié)構(gòu)的微通道中以一定的方式進行流動，以達到傳熱、傳質(zhì)和動量傳輸?shù)哪康摹Ｒ虼宋⑼ǖ朗俏⒘骺叵到y(tǒng)的核心部分。尺寸較大（特征尺寸大于100μm）、結(jié)構(gòu)和功能簡單的通道可以用毛細管制備，而尺寸小、結(jié)構(gòu)復雜的通道則需要采用特定的材料和特定的工藝來制備。

1.1 微通道結(jié)構(gòu)及其設計

圖1 不同形狀的主通道Fig.1 Microchannels of different morphology

微通道由入口、主通道、輔助通道（側(cè)流通道）和出口組成。主通道中需要輸入多相流體時，不同的流體需從不同的入口通道引入，經(jīng)過主通道處理后的不同流體再由不同的出口通道導出。入口和出口部分可以設計成“T”型［4］，“Y”型［5］或扇骨型［6-7］結(jié)構(gòu)。主通道是流體發(fā)生分離、混合和反應的主要空間場所，是實現(xiàn)微流控器件功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)和尺寸需根據(jù)器件所要實現(xiàn)的具體功能進行仔細設計。最簡單的通道為平面直通道［8］，如圖1a）所示。在需要造成不同流體間的有效混合時，可以將主通道設計成二維曲線型［9-10］、二維折線型［10］、三維折線型［11］或更為復雜的三維結(jié)構(gòu)［12］，如圖1b）—圖1 e）所示。與二維結(jié)構(gòu)相比，三維結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較強的渦旋，使混合更為快速、有效，但制造也更為復雜。主通道的壁面或底面也可以設計出斜肋、斜槽或人字形槽［13］，如圖1f）所示，造成各向異性的流動阻力，形成紊流，以加強混合。低雷諾數(shù)條件下，在主通道中加入有序排列的障礙物，可以用來實現(xiàn)分散于液體中的不同大小的微粒的有效分離，如圖2所示［14］。輔助通道（側(cè)流通道）則通常用來實現(xiàn)流體的水力聚焦和流量控制［15］。

1.2 制備微通道的材料

設計好的微通道結(jié)構(gòu)可以用不同的材料來制備，如硅、玻璃及高分子聚合物等。單晶硅晶圓是IC產(chǎn)業(yè)的基礎材料，廣泛用于制造半導體器件和集成電路。在單晶硅晶圓上制備微通道的工藝通常能與微制造技術(shù)完全兼容。制備完成的微流控器件能方便地與微電子器件進行集成。以二氧化硅為主要成分的普通玻璃是一種低成本、絕緣性能好、對可見光透明的材料［16］。用它制備微通道，便于觀察通道內(nèi)的流動狀態(tài)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)與有機聚合物及硅等材料的有效鍵合，防止流體的滲漏。相對于硅片和玻璃，有機聚合物材料加工制備過程更加簡單［17］，能夠制備復雜的通道結(jié)構(gòu)?？梢杂糜谥苽湮⑼ǖ赖挠袡C聚合物材料主要有聚碳酸脂（polycarbonate，PC）［18-19］、聚甲基丙烯酸甲脂（polymethyl methacrylate，PMMA）［20-21］、聚苯乙烯（polystyrene，PS）［17-21］、聚乙烯對苯乙二醇（polyethylene terephthalate glycol，PETG）［22］、聚氯乙烯（polyvinylchloride，PVC）［17］、聚乙烯（polyethylene，PE）［17］及聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）［21］等。其中聚二甲基硅氧烷的彈性很好，可用于制備需要較大變形的特殊器件，如微氣泵［23］、微閥［24］等。但有機物導熱性差、不耐高溫、加工工藝與微制造工藝不兼容，使其在微流控技術(shù)的應用受到一定限制。

圖2 微通道中不同直徑熒光粒子的分離Fig.2 Separation of fluorescent microspheres in microchannels

1.3 微通道的加工制備方法

用于制備微通道的材料種類多、性能差異很大，針對不同的材料需要采用不同的加工方法。硅和玻璃材料上加工微通道主要采用光刻和刻蝕技術(shù)，可以精確地控制微通道的形狀、大小和位置，并且能同時在整個芯片表面形成圖形，適宜進行大規(guī)模批量生產(chǎn)。隨著光刻工藝的進步，光刻的精度不斷提高，制備出的圖形特征尺寸不斷減小。采用納米級的光刻技術(shù)能夠制備出特征尺寸小于500nm的微通道，實現(xiàn)對納米尺度流體的控制和應用。但光刻工藝對襯底表面質(zhì)量要求苛刻、工藝復雜、需要昂貴的曝光和刻蝕設備，成本較高，成品率較低。同時，光刻和刻蝕很難制備三維結(jié)構(gòu)的微通道。

聚合物類材料的加工方法則大不相同，通常采用軟光刻技術(shù)來完成。圖形母版可以采用打印、普通光刻或電子束直寫制備，圖形轉(zhuǎn)移和復制則可以通過壓?。?5］、模鑄［26］與印刷［27］來實現(xiàn)。軟光刻技術(shù)［24］不僅可以制造三維結(jié)構(gòu)，而且能制造出不規(guī)則的曲面。軟光刻所需要的設備比較簡單，一般實驗室環(huán)境下就可以應用，圖形復制過程簡單、精度高、重復性好，是一種方便、便宜、適合一般生產(chǎn)和實驗環(huán)境條件并能進行低成本批量生產(chǎn)的技術(shù)。

2 微納流體的流動狀態(tài)與控制

流體在微納尺度的通道中流動的阻力很大。要形成有效的驅(qū)動可以有多種方法，如采用注射泵［28］、氣泵［23，29］、蠕動微泵［30］等進行壓力驅(qū)動，或者利用電滲流［31］、電泳［32］、電潤濕［33-34］和介電流體［35-36］等現(xiàn)象實現(xiàn)電動力驅(qū)動。

2.1 微通道中的渦流

微納尺度的流體屬于典型的層流。當Re≥100時，如果在通道側(cè)壁或管道中存在一定的障礙物，形成不對稱結(jié)構(gòu)，會使流場中出現(xiàn)渦流和渦旋。100＞Re≥10時，平面結(jié)構(gòu)的微通道中很難形成渦流，但三維不對稱結(jié)構(gòu)的微通道中仍然能夠產(chǎn)生有效的渦流。而對于雷諾數(shù)極低的情況，即Re＜10時，則必須在微通道的壁面設計出與流動方向呈一定夾角的不對稱線槽，為流體制造各向異性的阻力，使流體產(chǎn)生局部旋轉(zhuǎn)和伸展，才能形成混沌狀態(tài)，出現(xiàn)渦旋。

在低雷諾數(shù)的層流中形成渦流最有效的辦法是在流體的局部位置制備有源攪拌部件，再采用外部的電場、磁場、超聲或壓力等控制這些部件形成渦流。圖3是利用磁場控制磁性膠體顆粒自組裝形成“微磁子”混合器實現(xiàn)局部攪拌的典型實例［37］。圖中測量的是混合器主通道下游不同截面位置處示蹤粒子的濃度分布。右上和左下的插圖分別是混合前和混合后微通道中的流動狀態(tài)照片；實線箭頭所指的即是由磁性膠體粒子自組裝形成的“微磁子”，虛線箭頭指示的是流動方向。左邊入口流入的流體中加入了示蹤粒子。右上插圖中，“微磁子”沒有旋轉(zhuǎn)，左右入口通道中通入的流體沒有混合；而左下插圖中，“微磁子”在外磁場控制下快速旋轉(zhuǎn)，使下游流體發(fā)生有效混合。

圖3 “微磁子”混合器的結(jié)構(gòu)及其混合效果Fig.3 Structure and mixing effect of the micro-magneton mixer

2.2 微通道中多相流體間的界面及其控制

微納米流體按其組成成分可分為單相流（如單一液體流、單一氣體流），兩相及多相流（如氣-液兩相流，液-液多相流）。多相流又可以細分為單組分多相流（single component，multiphase，SCMP）和多組分多相流（multicomponent，multiphase，MCMP），也可以分為互溶多相流和不互溶多相流。

2.2.1 互溶流體間的界面

宏觀尺度下，互溶的液態(tài)流體之間很難維持明顯的界面，相互接觸后可以通過對流等過程很快實現(xiàn)混合。但在低雷諾數(shù)的層流條件下，流體間往往只能通過界面擴散進行混合。因此，即使是互溶流體，在相互接觸時中間也會存在明顯的界面。但隨著相互接觸時間的延長，由于縱向（沿著流體流動方向）和橫向（垂直于流體流動方向）的擴散，會使界面展寬，逐漸變得模糊，如圖4a）所示［3］。

圖4 兩相微流體間的界面Fig.4 Interfaces between two-phase microfluid flows

2.2.2 不互溶流體間的界面

對于不互溶的兩相微流體，界面處的擴散作用受到抑制，能夠在兩相之間長時間保持明晰的界面，即形成所謂的“釘扎”界面，如圖4b）所示［3］。但界面的形態(tài)會受到流體黏度、界面張力、流速、通道特征尺寸、通道內(nèi)壁狀態(tài)等眾多影響的因素，形成分層流、波浪層流、傾斜界面層流、液滴流、塞狀流以及環(huán)形流等多種不同的流型，如圖5所示［38］。

圖5 微通道中不同的流型Fig.5 Different flow patterns in the microchannels

不互溶多相微流體的界面控制是微流控技術(shù)中的關鍵技術(shù)之一。宏觀條件下，水溶相與有機相依靠重力作用分離，但對于微流體而言，液-固、液-氣、液-液相之間的界面張力起主導作用，宏觀尺度上控制流體的方法已不再適用［39］。改變微通道的結(jié)構(gòu)，如引入導向結(jié)構(gòu)［40］或者采用特定形狀截面的微通道［41］都能夠有效改變多相不互溶微流體間的界面形態(tài)。用PVP，PEO，PHEMA，ODS等物質(zhì)對微通道的壁面進行表面化學改性則可以使界面形態(tài)更加穩(wěn)定而容易控制［22，42-44］。

3 微流控器件及其應用

微流控器件所能實現(xiàn)的功能取決于器件中微通道內(nèi)流體中的傳輸過程。例如，微泵［30，45］是采用不同的驅(qū)動方式在微通道的特定區(qū)域中形成整體定向流動的器件；微分離器［14，46-48］是利用不同流體之間及流體與流體中的微觀粒子（如離子、大分子、細胞等）之間的相互作用而將原本混合在一起的多種流體或流體中的多種粒子進行有效分離的器件；微混合器［3，49］是要在微流體各部分之間造成充分的物質(zhì)交換以實現(xiàn)層流條件下最大程度的混合；微反應器［50-53］則是使相互間可以發(fā)生化學反應的流體在微通道或微液滴所限制的微小空間中發(fā)生有效反應制備某種特定物質(zhì)的器件。將這些器件集成在一起，并與外部能量與信號的輸入輸出器件（如微電子或微機械器件）進行組裝，就可以制備出具有完整功能的微流控系統(tǒng)，用于航空航天、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、生物工程、材料加工、化工工業(yè)等眾多領域。

3.1 生物醫(yī)學領域的應用

微納尺度下，流體間的傳質(zhì)、傳熱和反應過程高效、易控，主要是因為：1）短程分子擴散有利于控制化學反應進程并且能夠快速達到平衡狀態(tài)；2）相對較大的界面有利于促進界面反應；3）反應發(fā)生時只需要少量熱能，散熱和加熱過程都容易實現(xiàn)，能精確控制反應溫度；4）待分析的溶液或物質(zhì)需求量極微小，可以節(jié)省貴重藥品消耗或有毒物質(zhì)的揮發(fā)。這些特點使微流控技術(shù)應用于萃取提純［54］、病毒及細胞或大分子的分離與檢測［6，55-59］以及疾病的快速診斷［60-62］方面具有顯著的優(yōu)勢。

2000年，KITAMORI等最先利用微流控技術(shù)將水相／有機相引入微通道形成層流，萃取Fe2＋和Co2＋離子［63-64］。此后，多相層流技術(shù)被用于衍生氨基甲酸酯類殺蟲劑［65］等物質(zhì)的萃取和檢測。MARUYAMA等發(fā)現(xiàn)，通過改變通道結(jié)構(gòu)形成間歇式隔墻界面，可以提高萃取效率［41］。

利用微通道多相層流界面的選擇性擴散能夠?qū)崿F(xiàn)DNA、蛋白質(zhì)、細胞、病毒、正負離子、多肽、共聚物等多種粒子的無膜分離。將分離得到的特定物質(zhì)或粒子，如DNA，在通道的不同位置與某種化學試劑混合、加熱并反應，再利用光學等檢測手段進行測量，就可以確定物質(zhì)或粒子的種類和性質(zhì)。圖6a）就是納升DNA分析器件的結(jié)構(gòu)示意圖［66］。

在體外基因擴增技術(shù)（PCR）［67-68］中采用微流控芯片技術(shù)擴增特定DNA片段，不但簡化了操作步驟、提高了檢測效率，而且因為微通道良好的散熱能力，使得芯片內(nèi)部溫度分布均勻，反應過程更容易控制，從而解決了傳統(tǒng)PCR中加熱體積大、熱循環(huán)緩慢和效率低的缺點。圖6b）是一種集成了PCR與毛細管電泳（capillary electrophoresis，CE）分離的微流控器件的結(jié)構(gòu)示意圖［68］。

圖6 微流體器件在DNA分析中的應用實例Fig.6 Application of microfluidic devices in DNA analysis

3.2 層流微加工技術(shù)

層流微加工是利用微流體的層流特性，通過精確地控制化學反應試劑在微通道中的傳輸過程，在微通道中特定區(qū)域加工或合成化學物質(zhì)的新型微加工技術(shù)。實現(xiàn)層流微加工必須具備以下條件［5］：1）能夠?qū)⒒瘜W試劑從微通道外轉(zhuǎn)移到微通道內(nèi)；2）能夠?qū)⒒瘜W試劑定位到反應發(fā)生的精確位置；3）化學試劑在所需的位置處發(fā)生期望的化學反應；4）能夠?qū)U物從反應發(fā)生的區(qū)域移走。

目前，利用層流微加工技術(shù)能夠在微通道中制備出包括金屬［69］、非金屬無機物［70-71］以及有機纖維等多種材料。制備得到的材料可以是線狀、管狀、顆粒狀或殼核結(jié)構(gòu)等多種形態(tài)［69，70-72］。圖7a）是采用層流微加工技術(shù)在微通道中制備出的Ag線，其寬度為幾十微米；圖7b）則是在毛細管中制備的導電聚合物纖維。

在微通道中通入對特定材料具有腐蝕性的流體，可以對微通道中已有的結(jié)構(gòu)和涂層進行刻蝕，形成所需要的圖形［69］。圖7c）所示的通道結(jié)構(gòu)中，主通道的底面上原本沉積有帶狀的Au薄膜。通入流體時，中間的入口通入Au的腐蝕液，兩側(cè)的入口通入水。水-腐蝕液-水形成的三相層流流過主通道后，可以選擇性地刻蝕Au薄膜的中間部分，形成兩個分立的Au電極?？涛gAu以后，再在兩側(cè)的入口分別通入Ag鹽溶液和還原液，可以制備出如圖7c）所示的三電極結(jié)構(gòu)。

圖7 層流微加工技術(shù)Fig.7 Microfabrication using laminar flow

這種原位微加工技術(shù)避免了使用復雜的微加工技術(shù)在微通道中制備材料或圖形，同時能夠十分靈活地控制材料或圖形的尺寸和位置，因而引起了研究人員的廣泛關注。但是就目前來看，這種方法所加工的圖形最小尺寸仍然在微米量級。主要原因是在反應的時間和空間范圍內(nèi)，微流體中起主要控制作用的微觀傳輸過程，尤其是界面擴散過程的特征長度通常為幾個微米。如果能更好地控制多相微流體界面間的傳質(zhì)過程，從而精確控制層流微加工的精度，這一技術(shù)將可以在微制造和微連接領域得到更廣泛的應用。

4 總結(jié)與展望

微流體與宏觀連續(xù)流體相比較因流動空間特征尺度不同而存在明顯差異。利用微流控技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多相流體的混合、分離、萃取和反應，并實現(xiàn)了微泵、微閥、微反應器等多種器件的集成。然而，在微流控技術(shù)的應用方面仍然存在一系列的難題：1）納米尺度及三維微通道的制備；2）微納尺度下流體流動狀態(tài)的精確控制；3）微通道內(nèi)流體流速、溫度等物理量的精確測量；4）微流控器件工藝與傳統(tǒng)微電子制造工藝的兼容性；5）微流控器件與其他微電子、微機械器件的集成與封裝等。

在高度集成的微流控器件中，通道中的流體也往往是多種液體、氣體同時存在。深入研究多相微流體之間，尤其是界面處的傳輸過程對于開發(fā)各種新型、高效的微流體器件至關重要。但是由于界面的橫向尺寸太小，所涉及的微觀過程（包括擴散、對流、化學反應、電化學等）和微觀相互作用（包括流體與微觀粒子之間、流體與固體界面之間、粒子與粒子之間、粒子與固體或液體界面之間的相互作用等）通常又十分復雜，因此直至今天仍然有許多機理沒有搞清楚。多相流體在界面處的相互作用是一個典型的“介尺度”科學問題。如何建立相應的介觀尺度研究基礎理論、掌握多相微流體的流動特點、全面解析多相微流體間的反應過程與機制，從而實現(xiàn)對多相流體流動及反應的調(diào)控將是該領域未來研究的重點之一。

另外，隨著制造和加工技術(shù)的不斷進步，微通道尺寸越來越小，結(jié)構(gòu)越來越復雜，在流體流動方向上通道的特征尺度常常會跨越毫米、微米以及納米量級。在不同尺度通道間的結(jié)合部位，流體的流動狀態(tài)極為復雜。尺寸效應及跨尺度條件下流體的性質(zhì)、狀態(tài)及演變將是多相微流體研究中的另一個重點。

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