1.磁流體和微流體簡(jiǎn)介

微流體的磁性操控是一個(gè)有吸引力的概念。由于磁場(chǎng)的非侵入性，可以通過不與流體直接接觸的外部磁體在微流體通道內(nèi)操縱磁性顆?；虼判粤黧w。鐵磁流體構(gòu)成一類特定的磁流體。鐵磁流體是磁性納米顆粒在非磁性載體流體中的穩(wěn)定膠體懸浮液，并且它們表現(xiàn)出磁性和流體性質(zhì)?？梢允┘油獠看艌?chǎng)來控制它們的流體運(yùn)動(dòng)，并且即使在強(qiáng)磁場(chǎng)的影響下也能保持它們的流體特性。鐵磁流體可以像單組分流體一樣通過微流體裝置的微通道移動(dòng)。本綜述將概述鐵磁流體在微流體裝置中的應(yīng)用，用于泵送，混合，液滴產(chǎn)生，分選和分離，閥門和密封以及數(shù)字微流體。

2.用于微流體的鐵磁流體

鐵磁流體構(gòu)成磁性材料的顆粒，例如分散在基礎(chǔ)流體中的磁鐵礦，磁赤鐵礦或鈷鐵氧體，例如水或有機(jī)溶劑。顆粒的大小通常為5-20nm，顆粒的數(shù)量為每立方米10的23次方個(gè)顆粒。如果顆粒足夠小，約15nm或更小，則鐵磁流體表現(xiàn)為均勻的連續(xù)體。這意味著顆粒通過布朗運(yùn)動(dòng)保持懸浮，并且不會(huì)由于重力或磁場(chǎng)而沉降。為了保持相鄰顆粒之間的間隔，納米顆粒通常涂覆有表面活性劑層，因磁力和范德華力而傾向于粘附在一起。鐵磁流體必須合成，它們不會(huì)出現(xiàn)在自然界中。

有兩種方法可以制備鐵磁流體：

一步法：納米粒子直接在基液中制造

兩步法：首先制備納米顆粒，然后將其分離并再分散在基液中。

圖1：在強(qiáng)磁場(chǎng)的影響下反射玻璃板上的鐵磁流體（維基百科）

鐵磁流體表現(xiàn)出超順磁性。超順磁性意味著當(dāng)存在磁場(chǎng)時(shí)粒子被磁化，但是當(dāng)磁場(chǎng)被去除時(shí)，它們表現(xiàn)得像非磁性材料，因?yàn)樗鼈儧]有磁記憶。

鐵磁流體中的熱磁對(duì)流

鐵磁流體中的磁性顆粒足夠小以包含單個(gè)磁疇，因此凈磁化取決于溫度。低于臨界溫度，稱為居里溫度（T C），鐵磁流體的磁矩在一個(gè)方向上排列，導(dǎo)致凈磁化。當(dāng)溫度超過居里溫度時(shí)，磁矩變?yōu)殡S機(jī)取向，并且鐵磁流體失去其凈磁化強(qiáng)度。施加的熱梯度因此導(dǎo)致不均勻的磁化，并且鐵磁流體將經(jīng)歷體力，即開爾文體力，沿著熱梯度引起流體流動(dòng)。這種熱磁對(duì)流 可以在沒有泵的情況下驅(qū)動(dòng)鐵磁流體。

鐵磁流體的傳熱

磁性納米顆粒的導(dǎo)熱率通常高于基礎(chǔ)流體的數(shù)量級(jí)。因此，納米顆粒的添加顯著增加了基礎(chǔ)流體的導(dǎo)熱性。這通常表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)的提高或?qū)α鲹Q熱系數(shù)的提高。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，已經(jīng)觀察到鐵磁流體的傳熱系數(shù)的進(jìn)一步增強(qiáng)。這被認(rèn)為是由于磁性納米粒子在所施加的磁場(chǎng)方向上的排列，形成了提供導(dǎo)熱通路的鏈狀結(jié)構(gòu)。在強(qiáng)制和自由對(duì)流傳熱條件下都觀察到了這些結(jié)果。因此，鐵磁流體已被用作傳熱流體，例如用于冷卻微型裝置。

鐵磁流體泵

Hatch等提出了一種鐵磁流體泵，其中鐵磁流體的塞子用于通過微通道泵送非鐵磁流體。鐵磁流體和非鐵磁流體必須是不混溶的。他們的設(shè)備包括一個(gè)帶有兩個(gè)鐵磁流體插頭的圓形泵和兩個(gè)控制插頭運(yùn)動(dòng)的外部磁鐵。一個(gè)塞子在入口和出口之間保持就位，用作關(guān)閉的閥門。另一個(gè)塞子被一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵圍繞圓圈拖動(dòng)，作為一個(gè)活塞，將液體推出并拉出圓形通道。

圖2.圓形鐵磁流體泵的主要草圖。黑色結(jié)構(gòu)代表鐵磁流體插頭，兩個(gè)磁鐵（M）用于移動(dòng)它們（圖來自Hatch等人）。

磁熱泵

如本綜述中所述，導(dǎo)致熱磁對(duì)流的磁熱效應(yīng)可用于泵送微芯片中的流體。Love等人報(bào)道了一種磁熱泵，其僅使用熱場(chǎng)和磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)微通道中的流體流動(dòng)。他們使用具有低居里溫度的鐵磁流體塞，其被磁場(chǎng)吸引到一個(gè)區(qū)域。然后對(duì)鐵磁流體塞進(jìn)行加熱，并且當(dāng)其溫度接近居里溫度時(shí)，流體的磁吸引力減弱，然后較冷的流體被吸引到磁場(chǎng)并移動(dòng)加熱的流體。這最終將建立流動(dòng)并且泵用于推動(dòng)非鐵磁流體通過微系統(tǒng)。該原理如圖3所示。

圖3.作用于磁熱泵中鐵磁流體的場(chǎng)效應(yīng)（來自Love等人的圖））

混合

混合是微流體學(xué)中的關(guān)鍵概念，快速混合對(duì)許多生物和化學(xué)分析至關(guān)重要。提出了幾種提高混合效率的策略，包括被動(dòng)混合和主動(dòng)混合。主動(dòng)混合器通常比被動(dòng)混合器具有更好的混合效率，但通常還需要更多能量并且具有更高的制造成本。有源混合器的另一個(gè)問題是焦耳加熱（Joule heating）可能會(huì)損害生物樣本。Tsai等開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的低成本Y形微混合器，用于研究水基鐵磁流體與水的混合。他們?cè)谖⑼ǖ勒路椒胖靡粋€(gè)永磁體，并改變體積流量和通道寬度，以獲得改進(jìn)的混合效率。他們發(fā)現(xiàn)，在永磁體的影響下，鐵磁流體和水的混合效率可以達(dá)到90％以上，而同一微通道中僅通過擴(kuò)散的混合效率始終低于15％。這種類型的磁力混合器具有不消耗能量和不產(chǎn)生熱量的優(yōu)點(diǎn)。還提出了其他類型的磁性微混合器，例如微型攪拌棒，它是由傳統(tǒng)的攪拌板旋轉(zhuǎn)或磁粒子磁泳。

圖4. DI水和水基鐵磁流體（左）沒有磁鐵和（右）磁鐵之間的擴(kuò)散（來自Tsai等的數(shù)字）

液滴形成

通過傳統(tǒng)的在T型或流聚焦形成液滴的方法，可以在微流體系統(tǒng)中產(chǎn)生鐵磁流體的液滴。然后可以在不混溶流體中或在平坦表面或基板上用外部磁場(chǎng)操縱鐵磁流體液滴。Tan和Nguyen 研究了在由小圓形永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)存在下在微流體T形結(jié)合處形成鐵磁流體液滴。他們發(fā)現(xiàn)，在沒有磁場(chǎng)的情況下，液滴尺寸隨連續(xù)相的流速線性變化。在存在磁場(chǎng)的情況下，可以利用磁場(chǎng)強(qiáng)度，鐵磁流體的磁化和磁體的位置來操縱液滴尺寸。將磁鐵放置在T形接頭的上游導(dǎo)致形成更大的液滴，因?yàn)榇帕⑿鲁龅囊旱卫?，從而延遲了液滴的破裂。將磁體放置在下游具有相反的效果，即加速液滴破裂。

閥門和密封件

Hartshorne等證明了使用長(zhǎng)度約為10毫米的鐵磁流體塞作為玻璃制造的微流體裝置中的閥門和密封部件。他們研究了鐵磁流體作為三種不同微流體配置的閥門的性能; 閥門密封在直通道中，作為Y型閥和井型閥。他們使用永久磁鐵來操縱鐵磁流體。這些閥門可以在低壓差下很好地開啟和關(guān)閉。在較高的壓力下，他們觀察到隨流體順流而下的一小部分鐵磁流體的損失。

圖5.鐵磁流體閥門和密封件的主要草圖（Hartshorne等人的圖 ）

分類和分離

從混合物中分離目標(biāo)顆粒是許多生物測(cè)定中的關(guān)鍵步驟。

磁性數(shù)字微流體

在數(shù)字微流體技術(shù)中，液滴可以在無封閉的平面上運(yùn)動(dòng)。分散的液滴可以作為化學(xué)或生物反應(yīng)的單獨(dú)反應(yīng)室，也可以用作試劑的運(yùn)輸。在磁性數(shù)字微流體中，含有磁性顆粒（例如鐵磁流體或液體彈珠）的液滴用永磁體或電磁體操縱。Nguyen等研究表明，固定的鐵磁流體液滴可以通過永久磁鐵變形，改變其表面接觸角。觀察到表面接觸角隨著磁場(chǎng)的增加而減小。他們稱這種現(xiàn)象為磁化現(xiàn)象。將磁體放置在平坦的均勻表面下，如果磁力足夠強(qiáng)，能夠抵抗摩擦力和毛細(xì)管力，則液滴可以沿著平坦表面以與磁體相同的速度滑動(dòng)。然而，鐵磁流體液滴的一般問題是它們?cè)谠S多生物分析測(cè)定中與水性緩沖液的環(huán)境不相容，因緩沖液使膠體懸浮液不穩(wěn)定。

圖6.磁保護(hù)的示意圖(Figure from Kitanovski A., Tu?ek J., Tomc U., Plaznik U., O?bolt M., Poredo? A. (2015) Special Heat Transfer Mechanisms: Active and Passive Thermal Diodes. In: Magnetocaloric Energy Conversion. Green Energy and Technology. Springer, Cham)

4.磁流體和微流體的結(jié)論和展望

微流體系統(tǒng)中使用磁流體的一系列工作。與電操作相比，磁操作的一些優(yōu)點(diǎn)包括控制流動(dòng)和傳遞性質(zhì)（例如傳熱）以及不受pH，表面電荷或離子濃度影響的能力。然而，微磁流體主要保持在概念驗(yàn)證階段。在技術(shù)可行之前，必須克服幾個(gè)挑戰(zhàn)。用于改善鐵磁流體穩(wěn)定性的表面活性劑，鐵磁流體的一般問題是結(jié)垢后造成微通道堵塞。此外，鐵磁流體的納米級(jí)特性尚未完全了解，必須進(jìn)一步研究才能真正發(fā)揮其獨(dú)特的性質(zhì)。

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