微通道中磁性纳米粒子对混合率的增强作用

田野，邵向鑫

（南京航空航天大学 生物医学工程系，江苏省 南京市 21001）

1 引言

随着科学的快速发展，微流控芯片作为一种集微型化、集成化与便携化于一身的现代分析仪器和分析技术受到广泛关注。微流控芯片也称为微流控芯片实验室（Lab on a Chip），其主要研究方法是把生物和化学领域中所涉及的反应、筛选、分离、检测等基本操作单元分别做成微米尺寸的构建，集成到一块邮票或信用卡大小的芯片上。芯片上有微通道形成的网络可以控制微流体贯穿整个系统，进而可以实现常规生物或化学实验中的各种功能。各种反应物在微通道中充分的混合是实现器件功能的重要条件。然而，微观尺度下流动的典型特征是雷诺数低（Re≤1），液体流动以层流为主，使微流控芯片中液体的混合非常困难，反应效率下降，芯片难于集成化。因此，微观领域下液体的混合问题是微流控芯片技术发展中一个亟待解决的问题[1]。

根据输入能量的不同，目前微流控芯片中大体上可以分为被动式和主动式两种微混合方式[2]。被动式混合通常采用改变流道的几何形状来增强混合效率，如Hong C C等[3]设计的2D平面Tesla结构通道、Liu R H等[4]设计的3D蛇形混合通道等。但这类方法通常需要复杂的三维几何结构，对加工技术提出了很高的要求，而且在极低的Re数下，其效率也不高。主动式混合则通过外力的作用，如电场促进型、声场促进型、磁场等促进型主动混合器件等等[2]。

作为一种非接触的场作用力，磁场在微芯片中的应用受到人们的广泛关注[5,6]。Chen C Y等[7]在微通道中设计了磁性人工纤毛，在磁场的作用下，该结构能够模仿真实纤毛的运动，促进液体间的混合。Ryu K S 等[8]在微通道中制作了能够在外磁场作用下旋转的坡莫合金磁力微搅拌棒。这些方法虽然能够实现微通道中液体间的快速混合，然而器件加工过程多次采用光刻、沉积、电镀等技术，工艺过于繁复。我们在之前的研究中，利用飞秒激光微纳加工技术在微通道中加工了用于微混合的磁性微型涡轮，实现了微芯片中3D功能器件的设计、加工及驱动[9]。但是，由于微通道对激光聚焦的影响，导致器件表面粗糙度加大，影响器件性能。而且，前面的工作中，器件的结构比较复杂，对加工设备及制作工艺有很高的要求，不利于磁性微混合器的应用。针对这一现状，本文提出一种微通道中简单可行的磁性微混合的方法，通过对高温分解法合成的Fe3O4磁性纳米粒子进行表面修饰制备成磁流体，将磁流体与待混合液体加入到通道中，通过外加磁场力可以改变液体内磁性粒子的运动状态，进而达到控制液体流动、实现主动混合的目的。

2 实验装置和方法

2.1 磁流体的制备

实验中所用的Fe3O4磁性纳米粒子由高温分解法制备。在100mL三口瓶中分别放入2mmol Fe(acac)3，10mmol 1,2-十六烷二醇，6mmol油酸，6mmol油胺和20mL二苄醚，在氮气保护下磁力搅拌。将反应物升温至200℃后恒温2小时，之后将再次升温至290℃回流1小时。将反应得到黑色产物冷却至室温，反复用乙醇和正己烷清洗，得到油酸包覆的Fe3O4纳米粒子。如图1所示，纳米粒子呈现出很好的分散性，粒径约为6nm，饱和磁化强度约为56 emu/g。

图1Fe3O4磁性纳米粒子

油酸包覆的纳米粒子很难在水、乙醇等极性溶液中分散，故需要对该粒子进行表面修饰。取已经合成的油酸包覆的Fe3O4磁性纳米粒子100mg分散在20ml丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（PO3-TMPTA）中，室温下磁力搅拌24小时。Fe3O4纳米粒子即均匀分散在PO3-TMPTA中，得到深棕色溶液。反复清洗后得到改性后的纳米粒子，将其分散在乙醇中，形成磁流体状态。

2.2 微通道及驱动装置

使用软光刻[10,11]的方法用PDMS（SYLGARD 184, Dow Corning）制作Y型微通道，微通道结构如图2所示，分支通道宽50 μm、深30 μm，主通道宽100 μm、深30 μm。实验时，使用一台注射泵同时推进两个注射器，一个装有去离子水，另一个装有纳米磁性液体，设置注射泵不同的推进速度就可以得到不同平均Re数。

图2Y型通道示意图

外磁场由棒状钕铁硼磁铁提供，磁铁表面磁场强度约1000Gs，实验时混合区域的磁场强度约为300Gs。

2.3 图像采集及处理方法

实验时，通过CCD采集黑白图像，使用10×物镜，采集频率32.2Hz。由于CCD视野较小，通过移动显微镜平台连续拍摄150张照片，记录微通道中液体混合过程。

由于去离子水和磁性纳米液体在白光下灰度值不同，通过计算不同位置处的灰度标准差来计算混合效果。首先，将CCD拍摄的照片沿流向顺序衔接，得到一张微通道全程照片。从入口开始，沿流向每隔500个像素点取一块区域，按照30×53点阵读取灰度值，然后计算其标准差。以入口处所取区域的标准差为基准，计算沿流向各处混合率。混合率计算公式[12,13]为：

其中εi表示沿流向第i块区域的混合率，gjki是第i块区域中各点的灰度值， 是第i块区域中灰度平均值，gjk1和 分别是第i块区域中各点的灰度值和灰度平均值。

由于本实验使用注射泵为推进装置，其质量流量是一定的，通过质量流量计算得到平均Re数。设置注射泵分别为2ul/min，则相对应的平均Re数为1.0。

3 实验结果

图3为Re=1.0，样品在有/无外磁场下的照片。右侧为入口，流动方向由右向左。上部黑色液体为含磁性纳米粒子的液体，下部为去离子水。从图中可以看出，没有磁场时，两种液体泾渭分明，在视野范围内没有发生有效混合。而有磁场时磁性纳米液体与去离子水很快混合，在视野范围内基本完成有效混合。

图3磁场对微通道内液体混合的影响

图4是磁性液体与去离子水沿流向的混合率分布图。没有外磁场时，在8mm处，混合率仍小于60%。而在外磁场的作用下，两种液体在1.2mm处就达到了77%的混合率，基本实现了充分混合。可见，外加磁场对两种液体的混合效果影响非常显著。

图4混合率与混合距离关系

这种依靠磁性纳米粒子的磁微混合器由于具有结构简单、操作便捷、混合效果显著等优势，在微流控芯片中有着广泛的应用前景，有望在微流控芯片中的化学合成，生物分子的标记、提取，微传感，目标分子的检测等诸多领域中发挥重要作用。

4 结论

通过高温分解法制备Fe3O4磁流体，将其与去离子水同时注入到Y通道中。分别在有磁场和无磁场的条件下利用CCD对两种液体的混合情况进行观测。实验结果表明，在外磁场的作用下，两种液体在1.2mm处即实现了充分混合，而没有磁场时，此处混合效率不足10%，磁场对微通道中两种液体的混合增强作用可见一斑。本研究为解决微流控芯片中液体混合难的问题提供了有效的解决途径，为微流控芯片技术的进一步发展奠定了基础。

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