1. 簡介
微流體磁性操控在微流控技術中應用廣泛。因為磁場是非侵入性的，可以通過不直接接觸流體的外部磁體提供磁場來操縱在微流體通道內的磁性顆粒或磁性流體。鐵磁流體是一種特殊的磁性流體。鐵磁流體是磁性納米顆粒在非磁性載體流體中的穩定膠體懸浮液，具有磁性和流體性質。利用外加磁場可以控制其流體運動，即使在強磁場作用下也能保持其流體特性。鐵磁流體可以像單組分流體一樣在微流體裝置的微通道中移動。本文將概述鐵磁流體在微流體裝置中的應用，包括泵送、混合、液滴產生、分選和分離、閥門和密封以及數字微流體。
2. 微流控技術中的鐵磁流體
一種磁性流體或鐵磁流體，由分散在液相(如水或有機溶劑)中的磁鐵礦、磁赤鐵礦或鐵鈷等磁性材料顆粒組成的流體。顆粒的尺寸一般為5-20納米，顆粒數量為1023個/立方米[1]。如果粒子足夠小，大約15納米或更小，鐵磁流體表現為均勻懸浮溶液。這意味著粒子在佈朗運動中保持懸浮狀態，而不會由於重力或磁場而沉降。為瞭保持相鄰粒子之間的間距，納米粒子表面通常會修飾一層表面活性劑，否則它們會由於磁力和范德華力而粘在一起。鐵磁流體在自然界中不存在，因此必須通過人工合成。制備鐵磁流體有兩種方法:
1.一步法:直接在基液中制備納米粒子
2.兩步法:首先制備納米粒子，然後在基液中分離再分散。
鐵磁流體具有超順磁特性。超順磁性是指當磁場存在時，這些粒子被磁化，但當磁場被移除時，它們就像非磁性材料一樣，因為它們沒有磁性記憶。
圖1:強磁場作用下，磁性顆粒被磁場固定在瓶子側壁的狀態
鐵磁流體中的磁顆粒小到足以包含一個磁疇，因此凈磁化強度與溫度有關。在臨界溫度下，即居裡溫度(TC)，鐵磁流體的磁矩就會朝一個方向排列，從而產生凈磁化。當溫度超過居裡溫度時，磁矩變得隨機定向，鐵磁流體失去其凈磁化。因此，其中一個應用就是借助溫度梯度導致鐵磁流體非均勻磁化，鐵磁流體將受到一個開爾文體力，會誘導流體沿熱梯度流動。這種熱磁效應可以在不需要泵的情況下驅動鐵磁流體[2]。磁性納米顆粒的導熱系數通常比基礎流體高出幾個數量級。因此，納米顆粒的加入顯著提高瞭基礎流體的導熱性。這通常定量地表現為熱導率的增強或對流換熱系數的增強。磁場的作用進一步增強瞭鐵磁流體的傳熱系數。這被認為是由於磁性納米粒子沿應用的磁場方向排列，形成的鏈狀結構提供瞭導熱途徑[3]。這些結果已經在主動和被動式的對流換熱條件下觀察到。因此，鐵磁流體被用作傳熱流體，例如用於冷卻一些微型裝置[4]。
3. 微流控系統中的鐵磁流體
在微流控裝置中，作用於鐵磁流體的外部磁場可以由永磁體或電磁鐵產生。它們可以被放置在微流控設備的外部，也可以被集成到微流控裝置中。集成磁鐵在微流控裝置中的優勢是磁鐵靠近流體，隻需較低的場強即可。然而，這需要更復雜的制造工藝，甚至需要超凈間。
磁致熱泵
如前面所述，產生熱磁對流的磁熱效應可用於在微芯片中泵送流體。Love等人[5]報道瞭一種磁熱泵，它隻用一個熱場和磁場來驅動微通道中流體的流動。他們使用瞭一個低居裡溫度的鐵磁流體塞子，該塞子被磁場吸引到一個區域。然後對鐵磁流體塞進行加熱，當其溫度接近居裡溫度時，流體的磁性減弱，然後較冷的流體被磁場吸引並取代加熱的流體。這最終將建立一個持續流體流動，泵被用來推動非鐵磁流體通過微流控系統。原理如圖2所示。
圖1:強磁場作用下，磁性顆粒被磁場固定在瓶子側壁的狀態
磁流體泵
Hatch等人[6]提出瞭一種鐵磁流體泵，其中鐵磁流體作為塞子，通過微通道被用來泵送非鐵磁流體。鐵磁流體和非鐵磁流體必須是互不相溶的液體。他們的設備包括一個帶有兩個鐵流體塞的循環泵和兩個控制塞運動的外部磁鐵。一個外部磁鐵固定一段鐵磁流體塞子在進口和出口之間，作為一個關閉的閥門。另一個外部磁鐵繞著圓形旋轉控制鐵磁流體塞子延圓形圈旋轉，就像一個活塞，將液體從圓形通道中推拉出來。
圖3. 環形鐵磁流體泵示意圖。黑色結構代表鐵磁流體塞和兩個磁體
磁流體閥
Hartshorne等人[7]展示瞭在玻璃制造的微流體芯片中使用約10mm長的鐵流體塞作為閥門和密封組件。他們研究瞭在三種不同的微流體條件中，鐵磁流體作為塞子的性能；在直流道上的塞子密封，有Y形閥，也有井閥。他們用永磁體操縱鐵磁流體。這種閥門可以在低壓差的情況下很好地開啟和關閉，但是在較高的壓力下，他們觀察到隨流體順流而下的會有一小部分鐵磁流體的損失。
磁流體混合
混合是微流體的一個關鍵技術，快速混合是許多生物和化學分析的必要條件。包括被動和主動兩種方式，已經有多種提高混合效率的方法被提出。主動混合器通常比被動混合器具有更高的混合效率，但通常也需要更多的能源和更高的制造成本。主動混頻器的另一個問題是焦耳加熱可能會損害生物樣品。Tsai等人[8]開發瞭一種簡單的低成本Y形微混合器，用於研究水基鐵磁流體與水的混合。他們在微通道的正下方放置瞭一塊永磁體，並通過改變容流體速度和通道寬度來提高混合效率。他們發現，在永磁體作用下，鐵磁流體與水的混合效率可以達到90%以上，而在同一種微通道內僅通過擴散的混合效率始終低於15%。這種磁力混合器具有不消耗能量、不產生熱量的優點。其他類型的磁性微混合器也被提出，如由傳統攪拌器旋轉的微觀攪拌棒[9]或磁粒子的磁泳作用[10]。
圖4.PDMS閉環微流體裝置內部的磁流體混合
微液滴形成
在微流控系統中，鐵磁流體液滴可以通過傳統液滴生成方式在T型結構或流聚焦結點形成。在不相溶的流體或平面或襯底中，利用外部磁場可以操縱鐵磁流體液滴。Tan和Nguyen[11]研究瞭在小型圓形永磁體產生的磁場存在下，微流控芯片的T型結點處鐵磁液滴的形成。他們發現，在沒有磁場的情況下，液滴的大小隨連續相的流速線性變化；在磁場的作用下，液滴的大小可以通過磁場強度、鐵磁流體的磁化強度和磁體的位置來控制。將磁鐵置於T形結點的上遊會導致更大的液滴的形成，因為磁力具有將正在形成的液滴往回拉的趨勢，推遲瞭液滴的分離。將磁鐵放在下遊會產生相反的效果，加速液滴的分離，會產生較小的液滴。
圖5.鐵磁流體液滴生成
磁鐵數字化微流控技術
在數字微流控技術中，液滴可以在平坦的開放表面上操縱，分散的液滴可作為化學或生物反應的單獨反應室，或用於試劑的運輸。在磁性數字微流微流控技術中，含有磁性顆粒的液滴，是由永磁體或電磁鐵操縱的。Nguyen等[12]研究表明，固定在表面的鐵磁流體液滴可以被永磁體操縱變形，改變其表觀接觸角，同時表觀接觸角隨磁場的增加而減小，這種現象被稱為磁阻現象。磁體放置在一個平坦的表面下，如果磁力足夠強，克服摩擦力和毛細力產生的阻力，液滴就能與磁體以相同的速度沿平面滑動。
圖6磁鐵控制鐵磁流體液滴運動示意圖
4.結論與展望
磁流體操縱的優點包括能夠控制流動和傳遞特性(如傳熱)，以及不受pH值、表面電荷或離子濃度的影響。然而，磁微流體主要仍處於概念驗證階段。在將這些技術付諸實踐之前，必須克服幾個挑戰。鐵磁流體的一般問題是由於表面活性劑用於提高鐵磁流體的穩定性而造成的污垢和微通道堵塞。此外，鐵磁流體的納米特性還沒有被完全理解，必須進一步研究才能真正開發其獨特的特性。