什么是微流控？
微流控技術(shù)（microfluidics）是一種利用幾十至幾百微米通道以精確操控微尺度流體的技術(shù)，涉及到工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。微流控芯片（microfluidic chips）是實(shí)現(xiàn)微流控技術(shù)的主要平臺(tái)。微流控芯片技術(shù)的發(fā)展是以芯片毛細(xì)管電泳的形式開始的。
20世紀(jì)90年代初，A. Manz和D. Harrison等人開拓性地開展了芯片電泳的研究工作，他們采用微機(jī)電加工技術(shù)在平板上刻蝕微管道，研制出毛細(xì)管電泳微芯片分析裝置，開創(chuàng)了微流控芯片技術(shù)的先河。微流控技術(shù)發(fā)展到今天，生物、化學(xué)等分析過程和材料的制備過程可以微縮集成到一塊幾厘米的芯片上，芯片由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以取代常規(guī)化學(xué)、生物、材料實(shí)驗(yàn)室的各種功能。
微流控芯片的基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。微流控技術(shù)和微流控芯片被國際科學(xué)界認(rèn)為是重大科技進(jìn)展和改變未來的技術(shù)。2001年，英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)為此專門推出了《芯片實(shí)驗(yàn)室》（Lab on Chip）期刊，如今該期刊已經(jīng)成為了微流控領(lǐng)域的代表性期刊。
微流控技術(shù)最早是應(yīng)用在分析領(lǐng)域，它具有樣品與試劑低消耗、分辨率和靈敏度較高、分析時(shí)間非常短等突出的優(yōu)點(diǎn)，而易于陣列化使其能夠?qū)崿F(xiàn)高通量檢測(cè)、系統(tǒng)集成化、微型化、自動(dòng)化和便攜式。與傳統(tǒng)分析手段相比，微流控芯片具有分析快速、消耗低、微型化、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)。與標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管電泳儀器相比，在微加工設(shè)備和微流控芯片上實(shí)施電化學(xué)分析更有吸引力，因?yàn)槭褂秒姌O進(jìn)行檢測(cè)會(huì)使儀器更小，成本更低，這也是小型化的動(dòng)力之一。微加工技術(shù)非常適合于電化學(xué)檢測(cè)器的構(gòu)建，由于所涉及的尺寸很小，用傳統(tǒng)方法很難制造，即使對(duì)傳統(tǒng)的毛細(xì)管來說也是如此，微機(jī)械加工所獲得的更好的機(jī)械精度會(huì)提高分析性能。
微流控芯片中所研究的流體是在微米量級(jí)，雷諾系數(shù)變小，層流特點(diǎn)明顯，容易控制，比表面積迅速增大但連續(xù)介質(zhì)定理仍然成立，連續(xù)性方程可用。此外，微流控反應(yīng)系統(tǒng)利于快速傳遞質(zhì)量和能量，允許在超短時(shí)間尺度上產(chǎn)生或均勻化溫度和試劑梯度。由于這些特點(diǎn)，微流控技術(shù)也很適合用來進(jìn)行材料的合成、表征及測(cè)試。
微流控技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了材料科學(xué)的新創(chuàng)新，特別是通過與生物系統(tǒng)的相互作用，在微尺度范圍內(nèi)對(duì)流體和細(xì)胞進(jìn)行精確的操作。近年來，基于微流控技術(shù)的生物材料和生物器件取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在藥物傳遞、生化分析、組織工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域，基于微流控技術(shù)的生物材料有可能產(chǎn)生出廣泛的新產(chǎn)品。在諸如柔性電子和可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域，基于微流控的生物設(shè)備可能會(huì)引發(fā)很大的改變和發(fā)展。
在材料的合成上，與傳統(tǒng)的制備顆粒的方法（如溶膠凝膠法、水熱法、晶體生長(zhǎng)法、微乳液聚合法等）相比，液滴微流控技術(shù)可以提供設(shè)計(jì)、合成、控制顆粒性質(zhì)的一體化平臺(tái)，用以合成單晶、聚合物顆粒、復(fù)合材料等等。同時(shí)，采用微流控技術(shù)制備納米材料具有粒徑形態(tài)可控、單分散性、綠色環(huán)保能耗低等優(yōu)勢(shì)。粘性流動(dòng)的長(zhǎng)程性質(zhì)和微流體固有的小裝置尺寸意味著邊界的影響通常是顯著的。利用邊界效應(yīng)對(duì)流體進(jìn)行操縱的策略有很多，其中包括電動(dòng)效應(yīng)、聲流效應(yīng)和流體-結(jié)構(gòu)相互作用。David Baah等人詳細(xì)總結(jié)了用以合成材料的常用微流控設(shè)備（包括PDMS和玻璃）。用PDMS制成的裝置極容易加工，可加工成各種形狀用以合成不同要求的顆粒，而玻璃毛細(xì)管也可用于這些材料的合成，并且可通過改變流動(dòng)參數(shù)和溶劑合成特定結(jié)構(gòu)的顆粒。
基于流動(dòng)的微流控可分為連續(xù)流動(dòng)微流控和分段流動(dòng)微流控。簡(jiǎn)單來說，反應(yīng)混合物可作為連續(xù)流動(dòng)或在微通道內(nèi)分隔成納升級(jí)別的液滴在系統(tǒng)中流動(dòng)。連續(xù)流易于建立和直接擴(kuò)展，但是它們?cè)谕ǖ罊M截面上的拋物線速度分布以及無阻礙的分子/壁相互作用導(dǎo)致停留時(shí)間分布和隨后對(duì)粒徑分布的不良控制。分段流動(dòng)反應(yīng)器增加了操作的復(fù)雜性，但通過隔離反應(yīng)混合物和去除停留時(shí)間分布也克服了連續(xù)流動(dòng)的主要限制。兩種類型的流動(dòng)都可以以多種形式實(shí)現(xiàn)，包括基于芯片的系統(tǒng)（由PDMS等聚合物、玻璃或硅制成）和基于毛細(xì)管的反應(yīng)器。
在合成納米顆粒時(shí)，例如大規(guī)模制造高質(zhì)量量子點(diǎn)時(shí)，批量合成的放大通常會(huì)放大現(xiàn)有的混合效率和眾所周知的批量變化，這些變化會(huì)通過可變和不利的傳熱和傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步影響生成的產(chǎn)品。因此，在批處理系統(tǒng)中獲得足夠小的Damkohler數(shù)（Da）以精確反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表征可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，這可能導(dǎo)致非均勻成核過程。而微流控作為一種替代策略被推廣使用，以應(yīng)對(duì)與傳統(tǒng)燒瓶系統(tǒng)相關(guān)的材料合成的挑戰(zhàn)。單相微流體策略，雖然在化學(xué)消耗和取樣效率方面優(yōu)于間歇系統(tǒng)，但通常僅限于具有不需要的軸向分散的層流區(qū)域，這會(huì)限制向徑向擴(kuò)散的質(zhì)量傳遞。相反，微尺度多相流已被證明在1階上實(shí)現(xiàn)了顯著短于間歇系統(tǒng)的混合時(shí)間標(biāo)度，由于在移動(dòng)的液滴中形成了兩個(gè)軸對(duì)稱的回流模式，多相微流體的增強(qiáng)混合和傳質(zhì)特性使其成為高通量篩選和在線優(yōu)化合成膠體納米晶體的理想選擇。Aketagawa等人通過多層光刻法制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）的鞘流微通道，通過鞘流微型通道產(chǎn)生液滴并合成致密填充有TiO2納米顆粒的藻酸鹽-TiO2復(fù)合顆粒。將分散相通道與連續(xù)相通道連接，分散相在連接點(diǎn)處膨脹成球形，曲率半徑增加的同時(shí)導(dǎo)致拉普拉斯壓力的急劇下降，有助于液滴的形成。將包含有TiO2納米顆粒的藻酸鈉水溶液作為分散相，連續(xù)相用含有表面活性劑的葵花籽油，分散相進(jìn)入連續(xù)相時(shí)形成單分散的液滴。使用微流控裝置，在油相中形成含有低密度TiO2納米顆粒單分散藻酸鈉液滴。這種方法有利于單分散藻酸鹽-無機(jī)復(fù)合顆粒的穩(wěn)定生產(chǎn)和應(yīng)用。
Thiele等人利用微流體反應(yīng)器，將NaBH4溶解在NaOH中，在聚苯乙烯磺酸鈉的存在下還原硝酸銀得到了銀顆粒，所制備的銀顆�？梢赃M(jìn)一步用作種子形成各向異性的顆粒。在這里使用的微流控反應(yīng)器包含三種不同的微混合器，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)前驅(qū)體的最佳混合，嚴(yán)格控制每個(gè)合成步驟用以實(shí)現(xiàn)高度均勻的顆粒溶液。所產(chǎn)生的銀顆�？梢杂米餍纬筛飨虍愋灶w粒的晶種，之后再進(jìn)行晶粒的生長(zhǎng)并最終生成三角形狀的銀納米顆粒。基于這種納米銀顆粒的合成方法，未來的工作將集中在通過實(shí)時(shí)反應(yīng)控制和檢測(cè)來使用于生物傳感的等離子體納米顆粒的合成的完全自動(dòng)化上。(未完待續(xù)）來源：材料科學(xué)茶話會(huì)
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