多尺度流控体系中流体的物理特性

微流控芯片

顾名思义，毫流控、微流控和纳流控分别指通道的特征长度处于1 mm-10 mm、100 nm-1 mm和<100 nm范围的流体体系，如表1所示。一般情况下，水在毫流控、微流控和纳米流控通道中流体本质上均处于层流状态。在毫流控和微流控中，流体运动主要受到其内部的粘滞力和惯性力，界面上的界面张力和毛细作用力的影响。而在纳米通道中，通道尺寸小于100 nm，由于与分子尺寸相当，分子间相互作用力如静电力、范德华力、水合作用力和空间排斥力等则起到主导作用。了解通道中流体运动和受力情况，对流体的精确控制和流控器件的结构功能设计等具有至关重要的作用。

流控器件的制备技术

由于各种新型制备技术的诞生使得微纳加工工艺不断发展，目前流控器件的制备在分辨率、成本和高通量制造等方面得到了很大的提升。根据器件的尺度不同，流控体系的制备技术也不尽相同，如针对毫流控和微流控器件制备方法主要分为增材和非增材制造技术，针对纳米流控制备的主要为自上而下和自下而上方法等。表2概述了这些主要制备技术及其精度、适用材料、优点和局限等，其中具有代表性的方法如图2所示。

当前，用于制造毫流控和微流控器件的技术有许多共同之处，可分为增材制造和非增材制造两类。增材制造技术主要包括立体光刻(Stereolithography)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)、熔融沉积建模(Fused Deposition Modelling)和水凝胶喷墨打印(Hydrogel Inkjet Printing)等。增材制造中，流控器件可由计算机辅助设计(CAD) 预先数字化建模，然后程序化逐层打印，这为打印各种形貌结构器件赋予了高度的灵活性。同时，由于3D打印可对原材料进行最大程度利用，在工业上展现了巨大潜力。非增材制造技术，如激光直写(Direct Laser Writing)、软光刻(Soft Lithography)和玻璃毛细管(Glass Capillary)等，则可进一步提高流控器件的制造精度。对于纳流控器件，传统的微纳加工技术利用自上而下的制造策略，可使用电子束光刻(EBL)或聚焦离子束(FIB)对硅基材料进行高精度刻蚀，但制作过程往往复杂且耗时，纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography)等为其提供了一种低成本的选择。此外，基于分子自组装的自下而上策略也为纳流控器件的制备提供了更多的空间。

毫流控、微流控和纳流控器件的应用

由于毫流控、微流控和纳流控通道中流体特性差异，它们的应用和发展也呈现出不同的趋势。毫流控器件的毫米级通道对堵塞和污垢的敏感性较低，有助于工业规模化生产。如图3所示，毫流控在合成效率和产品质量之间提供了良好的平衡，弥补了实验室合成和工业生产之间的差距。通过连续式反应流或离散式液滴反应器，可实现通道内物质的实时检测和参数优化，用于纳米材料的优质制造和高通量药物筛选等。当下，毫流控研究主要致力于将多通道投料、实时检测、自动控制和高通量等生产特征整合，通过精细化通网络结构设计，搭建多功能自反馈平台，以满足实际生产需求，实现产物的优质多样性制造。

微流控由于其优异的微米级流体操纵能力，已被广泛应用于材料科学、化学、细胞生物学和医学等多个学科。随着技术的不断发展，微流控器件为基础科学、创新技术和新应用提供了广阔的平台。我们对微流控在流体混合、粒子分选、多级乳液制备、单细胞分析、器官芯片、即时检测和光流控等应用进行简要回顾，如图4所示，以上代表性例子都高度体现了微流控系统对流体精确控制和模块高度集成化的典型特征。由于层流占主导地位，微通道中两相流体的混合主要由界面扩散决定，效率远低于宏观混沌湍流。目前提高流体混合速率的策略主要分为被动式和主动式。被动式混合是通过设计具有特定几何形状的流体通道，触发局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩涡构型、分支结构和蜿蜒形。主动式混合则是在微流器件中引入外源驱动微混合器，如压电混合器、电动混合器和磁力驱动混合器等。微流控器件作为“乳液设计器”可将不互溶液体混合，在液滴生成和构建多级乳液方面具有独特优势，可制备包括双乳、三乳和四乳等体积和核液滴数量精准可调的多级乳液结构。另外，微通道每个液滴可作为单个细胞的理想容器，为单细胞分析提供强大平台。通过引入介质电泳、磁力、光力和声波等，还可以实现目标粒子或细胞的高效分选。当集成液滴生成、合并、混合、细胞孵育和观测等多个模块时，可用于细胞毒性等高通量筛查。通过进一步构建仿生器官微流芯片，还可还原人体内组织或器官的微结构和微环境，成功再现器官水平的代谢和免疫反应，用于临床精准医疗。在日常生活中，微流控即时检测(POCTs)装置凭借其成本低廉、灵敏度高、便携性强、检测快速等优势，广泛应用于公共健康检测，如HIV诊断、血液分析和血糖监测等。在当前冠状病毒病COVID-19大流行的诊断，POCTs同样发挥着重要的作用。

纳流控的快速发展得益于纳米制造技术的发展和新型纳米材料的发现，如碳纳米管、氮化硼、石墨烯、MoS2和MXenes等。纳流控处于纳米特征尺度上，主要由分子间的作用力主导，这也赋予了它极具价值的应用前景，如海水淡化、能量收集、单分子分析和纳米流体二极管和仿生神传导经系统等，以及新奇丰富的微观流体现象，如图5所示。例如当水通过半径为15 ~ 50 nm的碳纳米管时，实测水流速率比连续动力学模型推算的预测值高出4 ~ 5个数量级，一个可能解释是其无摩擦的通道表面导至了超快水传输现象的产生。然而，纳米通道中超快水输运等现象的潜在机制尚无定论，有待实验和模拟的进一步揭示。

毫流控、微流控和纳流控体系的研究跨越了学术研究到工业应用，并随着时间的持续不断发展。毫流控、微流控和纳流控体系是多学科交叉研究的强大平台，在未来的发展中将发挥越来越重要的作用。

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