微流控技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
微流控技術(shù)的實(shí)例教程
隨著微流控技術(shù)的迅猛發(fā)展，微流控領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多具有創(chuàng)新意義的新技術(shù)，如表面張力限制的液滴微流控技術(shù)。表面張力限制的液滴微流控技術(shù)在生物醫(yī)藥和材料合成等方面具有非常廣泛的應(yīng)用，使用簡(jiǎn)便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。近日，上海大學(xué)的巫金波教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面親疏水的差異將微米級(jí)尺寸的液滴固定在基片表面，制備出不同形狀、尺寸的液滴陣列，并利用液滴陣列進(jìn)行單細(xì)胞的培養(yǎng)與觀測(cè)。
傳統(tǒng)的液滴微流控技術(shù)多是基于復(fù)雜的三維立體通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片，制備工藝復(fù)雜、儀器精度要求高且價(jià)格昂貴。表面張力限制的液滴微流控技術(shù)與傳統(tǒng)液滴微流控技術(shù)最大的不同點(diǎn)在于前者基于對(duì)表面張力的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的操控，如液滴的生成及運(yùn)動(dòng)，而后者是基于對(duì)三維微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)液滴的分裂、運(yùn)動(dòng)及融合。相應(yīng)地，基于表面張力的液滴微流控技術(shù)只需要對(duì)平臺(tái)表面進(jìn)行選擇性的化學(xué)改性或者物理作用，使平臺(tái)表面的不同區(qū)域?qū)σ后w的表面張力發(fā)生變化，產(chǎn)生具有親疏水性的通道或陣列圖案。通過(guò)改變圖案尺寸或調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，他們就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液滴尺寸及形貌的調(diào)控，對(duì)需要精確定量的化學(xué)或生物反應(yīng)而言是巨大的優(yōu)勢(shì)。但就目前發(fā)展情況而言，這一技術(shù)仍存在一定的挑戰(zhàn)和困難——微小體量的液滴揮發(fā)速率極快，如何確保液滴體積的穩(wěn)定性并利用液滴陣列進(jìn)行材料的合成或細(xì)胞培養(yǎng)仍需要進(jìn)一步的探索。
上海大學(xué)的巫金波教授團(tuán)隊(duì)在具有疏水性質(zhì)的基片表面構(gòu)建了親水圖案，當(dāng)把水溶液（如熒光溶液、細(xì)胞培養(yǎng)液等）和油液依次分別添加到基片表面時(shí)，通過(guò)滑動(dòng)玻璃蓋片的方法，親水區(qū)域的水溶液會(huì)得到保留，而疏水區(qū)域會(huì)被油液所侵占，從而成功地制備出形狀規(guī)則、尺寸均一、排布整齊的皮升量級(jí)的油蓋水型液滴陣列。整個(gè)過(guò)程只需短短的5秒鐘便可制備出一萬(wàn)多個(gè)體積為31皮升左右的液滴，液滴生成的通量達(dá)到3 kHz。
展開(kāi) 自上世紀(jì)90年代微流控技術(shù)誕生起，表面浸潤(rùn)性便一直扮演著關(guān)鍵作用。例如，微通道的浸潤(rùn)性決定了微液滴能否穩(wěn)定生成，數(shù)字微流控技術(shù)利用電潤(rùn)濕原理進(jìn)行靈活的液滴操控，紙基微流控通過(guò)圖案化親疏水通道實(shí)現(xiàn)快速廉價(jià)的分析檢測(cè)，工程化表面浸潤(rùn)性可在開(kāi)放空間中實(shí)現(xiàn)各種定向液體輸運(yùn)和液滴傳輸?shù)取Ｈ欢?，作為?幣的另一面，微流控技術(shù)能否以及如何助力材料浸潤(rùn)性研究仍然是個(gè)懸而未答的問(wèn)題。回答這一問(wèn)題對(duì)微流控和浸潤(rùn)性領(lǐng)域的共同發(fā)展和交叉融合有深遠(yuǎn)意義（圖1）。
圖1. 微流控和浸潤(rùn)性相互促進(jìn)
近日，香港城市大學(xué)朱平安助理教授和香港大學(xué)王立秋教授在Chemical Reviews 發(fā)表題為“Microfluidics-Enabled Soft Manufacture of Materials with Tailorable Wettability” 的長(zhǎng)篇綜述，系統(tǒng)回顧了利用微流控軟制造技術(shù)制備具有可控浸潤(rùn)性材料的發(fā)展歷程。論文首先介紹了常見(jiàn)的浸潤(rùn)現(xiàn)象和機(jī)理，繼而介紹了微流控法工程化功能材料的一般過(guò)程，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了具有可控浸潤(rùn)性的微顆粒、微纖維、多孔表面的微流控制備與應(yīng)用，最后提出了總結(jié)和展望。
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微流控軟制造
微流控軟制造指以微流控技術(shù)產(chǎn)生的流體系統(tǒng)為模板進(jìn)行材料的精確制備和性能調(diào)控，常見(jiàn)的流體模板包括液滴、氣泡、射流、乳液、液體泡沫等（圖2）。
展開(kāi) 簡(jiǎn)介
微流控芯片技術(shù)規(guī)模繼承的特點(diǎn)使得其對(duì)個(gè)體生物信息進(jìn)行高速，并行采集和分析成為可能，是現(xiàn) 代生物科學(xué)的一個(gè)重要信息采集和處理平臺(tái)，為生命領(lǐng)域研究提供技術(shù)支撐和操作平臺(tái)。利用微流控芯 片規(guī)模集成、微尺度熱傳質(zhì)效應(yīng)、可控微流體、類(lèi)仿生空間微結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，目前微流控芯片技術(shù)已經(jīng)在 生物基因工程、疾病診斷和藥物研究、細(xì)胞分析、生物分子間相互作用等領(lǐng)域取得了顯著的成果。
分類(lèi)
A、生物基因工程
生物基因工程主要基于核酸分子雜交技術(shù)，該技術(shù)也是生物微芯片技術(shù)（基因芯片，DNA芯片）的 起源。 一般通過(guò)在芯片表面固定高密度的設(shè)計(jì)好的寡聚核苷酸或cDNA序列點(diǎn)陣，標(biāo)記熒光探針進(jìn)行核 酸雜交， 通過(guò)激光共聚焦掃描顯微鏡/CCD熒光顯微鏡等設(shè)備分析雜交熒光 信號(hào)，進(jìn)而獲得核苷酸配對(duì) 序列信息。 基因芯片被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的基因測(cè)序和基因診斷技術(shù)，讓我們能從基因?qū)用嫔狭私馍?活動(dòng)現(xiàn)象。
B、疾病診斷和藥物研究 隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，生物芯片技術(shù)不局限于高通量的點(diǎn)陣芯片， 漸漸發(fā)展成融合生物 樣本處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測(cè)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的功能化生物芯片，從而擴(kuò)大在疾病診斷和藥物研究等 領(lǐng)域的應(yīng)用
C、細(xì)胞分析 在生命科學(xué)領(lǐng)域里，對(duì)細(xì)胞組分形態(tài)變化和生命活動(dòng)分析一直是研究 生命現(xiàn)象的重要方法。微流控 芯片類(lèi)仿生空間微結(jié)構(gòu)的特性為細(xì)胞培養(yǎng)， 單細(xì)胞捕捉等提供了非常良好的操作平臺(tái)，并使得集成化的 細(xì)胞研究成 為可能，諸如細(xì)胞進(jìn)樣、培養(yǎng)、分選、裂解和分離檢測(cè)等過(guò)程可在一塊 芯片上完成。
D、生物分子間相互作用 生物分子間的相互作用是研究生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)，涉及各類(lèi)小分子化合物、多肽、蛋白質(zhì)、寡核苷酸 和寡聚糖直至類(lèi)脂、噬菌體、病毒和細(xì)胞的生物體系研究。
展開(kāi) 這種“基于微流控芯片的組織合成”系統(tǒng)為未來(lái)的基礎(chǔ)研究和生物醫(yī)藥應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)和思路。
該微流控紡絲技術(shù)不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)纖維，還賦予纖維較高的柔性和可編織性，從而可將CDs/Graphene纖維狀電容器集成到柔性基底和織物中，成功的實(shí)現(xiàn)了為眾多電子設(shè)備供能比如：WLEDs、小型紅綠燈和智能手表（圖6）。
圖文導(dǎo)讀
圖1 CDs/Graphene纖維的制備及其應(yīng)用示意圖
a) 碳量子點(diǎn)和石墨烯之間形成“Dot-Sheet”結(jié)構(gòu)的示意圖；b)微流控紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene纖維示意圖；c) CDs/Graphene纖維超級(jí)電容器為電子設(shè)備供能示意圖。
圖2 CDs/Graphene纖維的制備、形貌和機(jī)械性能表征
a)微流體紡絲技術(shù)制備CDs/Graphene納米復(fù)合纖維的過(guò)程圖；b-d) CDs/Graphene纖維的電鏡圖；e) CDs/Graphene纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f-g) CDs/Graphene纖維柔性編織和彎曲圖。
展開(kāi) 
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工業(yè)與科研應(yīng)用
本案例為電場(chǎng)下水球行為的模擬研究提供了重要的理論依據(jù)，并在多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景：
微流控技術(shù)：為微流控芯片中液滴控制與操作提供了理論支持，促進(jìn)了液滴微操作技術(shù)的發(fā)展。
材料科學(xué)：研究水分子在電場(chǎng)中的行為，幫助優(yōu)化電介質(zhì)材料的性能，特別是在電子器件和傳感器中的應(yīng)用。
這種 pcb 板怎么用 comsol 建模呢
圖5 陶瓷微通道散熱器和硅基微通道散熱器
微流控芯片技術(shù)通過(guò)在微小尺度上精確控制流體流動(dòng)，為醫(yī)學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)等領(lǐng)域的研究應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模(2024)達(dá)79.5億美元。目前聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微流控制備微球技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多流道的集成與一體化成型，如圖6所示，流道結(jié)構(gòu)精細(xì)且獨(dú)特，最小流道寬度達(dá)到了驚人的30μm。
如果微流控技術(shù)允許芯片達(dá)到更高的熱設(shè)計(jì)點(diǎn)（TDP），這可以消除硅設(shè)計(jì)人員目前面臨的障礙之一。
散熱的困難意味著當(dāng)今最大的芯片不能一次使用所有晶體管，否則它們會(huì)過(guò)熱。芯片上有“暗硅”區(qū)域，應(yīng)用微流體可以讓設(shè)計(jì)人員點(diǎn)亮這些區(qū)域，從而提高芯片性能。但不要指望微流體可以解決所有問(wèn)題。
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作者信息
陳蘇教授團(tuán)隊(duì)一直致力于微尺度下材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控研究, 探索材料結(jié)構(gòu)與功能間的映射關(guān)系，發(fā)展了一系列以微流控技術(shù)為代表的納微纖維新材料的設(shè)計(jì)與制備方法，如微流控紡絲技術(shù)、微流控靜電紡絲技術(shù)、微流控氣噴紡絲技術(shù)和微流控靜電3D打印技術(shù)。
天馬進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了Pluidic? O系列微流控技術(shù)，這是業(yè)內(nèi)首次公開(kāi)基于Oxide量產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)的DMF基板，相比傳統(tǒng)無(wú)源DMF技術(shù)，驅(qū)動(dòng)通量可提升100倍以上，驅(qū)動(dòng)精度可提升1000倍以上，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了從數(shù)碼管到高清顯示器的變革，有利于實(shí)現(xiàn)更高通量、更強(qiáng)性能的DMF應(yīng)用，給數(shù)字微流控技術(shù)帶來(lái)了全新的可能性。
目前MEMS的最大市場(chǎng)是智能手機(jī)，微流控技術(shù)是它的派生分支，90年代噴墨打印頭就是微液控的典型應(yīng)用之一。“微”字概念是＜0.2-3mm尺寸的物體， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)家的科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全的關(guān)鍵技術(shù)。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術(shù)和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過(guò)在PCM中浸漬氟碳樹(shù)脂涂層來(lái)制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網(wǎng)絡(luò)(圖8b)賦予了由此產(chǎn)生的智能纖維優(yōu)越的機(jī)械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現(xiàn)出多響應(yīng)刺激特性(電/熱/光子)。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術(shù)和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過(guò)在PCM中浸漬氟碳樹(shù)脂涂層來(lái)制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網(wǎng)絡(luò)(圖8b)賦予了由此產(chǎn)生的智能纖維優(yōu)越的機(jī)械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現(xiàn)出多響應(yīng)刺激特性(電/熱/光子)。
其核心技術(shù)涉及五個(gè)方面，分別是壓電技術(shù)、熱式傳感技術(shù)、微流控Bio MEMS技術(shù)、磁傳感技術(shù)和柔性傳感技術(shù)。多個(gè)智能傳感器還可組建成相應(yīng)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并且具備從系統(tǒng)到單元的反向分析與自主校準(zhǔn)能力。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)下，智能傳感器機(jī)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒊蔀橥苿?dòng)制造業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的重要力量。
