揭秘微流控：如何在微小尺度上實現流體控制

更新時間：2025-07-16 | 點擊率：223

　　微流控技術是研究在微小尺度（通常指亞微米到毫米級）上操控流體的技術，其核心目標是精確控制微量流體的行為，包括流動、混合、反應、分離等。這一技術在生物醫學、化學分析、材料科學等領域展現出巨大潛力。以下從原理、技術手段、應用場景和挑戰等方面進行揭秘：

　　一、微流控基于流體在微小通道中的物理行為，利用以下原理實現精確控制：

　　1.層流效應

　　在微尺度下，流體慣性力極小，雷諾數（Re）遠低于臨界值（通常Re < 100），流動以層流為主，不易產生湍流。

　　不同流體層可并行流動而不混合，適用于精準操控多相流體（如油水兩相）。

　　2.表面張力與潤濕性

　　微通道尺寸與表面張力效應相當，流體行為受通道壁面的潤濕性（親水/疏水）主導。

　　通過修飾通道表面（如涂層、圖案化），可引導流體流動或實現液滴生成。

　　3.壓力驅動與電動力

　　壓力驅動：通過施加氣壓或液壓梯度驅動流體流動（如泵或擠壓）。

　　電動力：利用電場力操控帶電粒子或液滴（如電泳、介電泳）。

　　其他驅動力：包括毛細管力、離心力、聲波力等。

　　4.擴散與混合

　　微尺度下分子擴散距離短，但層流效應會抑制混合。需通過設計特殊結構（如交錯通道、混沌混合器）或施加外力（如超聲振動）增強混合。

　　二、關鍵技術手段

　　1. 微流控芯片設計與制造

　　材料選擇：

　　聚合物（如PDMS、聚碳酸酯）：成本低、易于加工，適合一次性使用。

　　玻璃/硅片：用于高精度實驗，化學穩定性好。

　　紙基材料：低成本、可降解，適用于低端檢測（如試紙）。

　　制造工藝：

　　軟光刻：通過光刻技術制造PDMS模具，復制微通道結構。

　　3D打印：直接打印復雜三維結構，適應個性化需求。

　　激光微加工：在玻璃或金屬表面刻蝕通道。

　　2. 流體操控技術

　　液滴微流控：

　　通過調控表面張力和流速，生成單分散的納米/微米級液滴，用于化學反應、單細胞分析。

　　典型應用：數字PCR、液滴測序。

　　閥控系統：

　　集成微型閥門（如氣動閥、熱響應閥）主動控制流體通斷，實現復雜邏輯操作。

　　電動力學操控：

　　電濕潤：通過電場改變液滴潤濕性，控制其移動或合并。

　　介電泳：利用非均勻電場驅動帶電粒子（如細胞、納米顆粒）定向遷移。

　　3. 檢測與傳感

　　光學檢測：

　　結合熒光、拉曼光譜等技術，在微通道中實時監測化學反應或細胞活動。

　　電化學傳感：

　　在芯片上集成電極，通過電流或電壓變化檢測離子濃度或分子吸附。

　　成像技術：

　　顯微成像（如共聚焦顯微鏡）直接觀察流體動態或細胞行為。