1.磁流體和微流體簡介

微流體的磁性操控是一個有吸引力的概念。由于磁場的非侵入性，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)操縱磁性顆粒或磁性流體。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┘油獠看艌鰜砜刂扑鼈兊牧黧w運(yùn)動，并且即使在強(qiáng)磁場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。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)動保持懸浮，并且不會由于重力或磁場而沉降。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)存在磁場時粒子被磁化，但是當(dāng)磁場被去除時，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流

鐵磁流體中的磁性顆粒足夠小以包含單個磁疇，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方向上排列，導(dǎo)致凈磁化。當(dāng)溫度超過居里溫度時，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。這種熱磁對流 可以在沒有泵的情況下驅(qū)動鐵磁流體。

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。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)施加磁場時，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)備包括一個帶有兩個鐵磁流體插頭的圓形泵和兩個控制插頭運(yùn)動的外部磁鐵。一個塞子在入口和出口之間保持就位，用作關(guān)閉的閥門。另一個塞子被一個旋轉(zhuǎn)磁鐵圍繞圓圈拖動，作為一個活塞，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，兩個磁鐵（M）用于移動它們（圖來自Hatch等人）。

磁熱泵

如本綜述中所述，導(dǎo)致熱磁對流的磁熱效應(yīng)可用于泵送微芯片中的流體。Love等人報道了一種磁熱泵，其僅使用熱場和磁場來驅(qū)動微通道中的流體流動。他們使用具有低居里溫度的鐵磁流體塞，其被磁場吸引到一個區(qū)域。然后對鐵磁流體塞進(jìn)行加熱，并且當(dāng)其溫度接近居里溫度時，流體的磁吸引力減弱，然后較冷的流體被吸引到磁場并移動加熱的流體。這最終將建立流動并且泵用于推動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，包括被動混合和主動混合。主動混合器通常比被動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問題是焦耳加熱（Joule heating）可能會損害生物樣本。Tsai等開發(fā)了一種簡單的低成本Y形微混合器，用于研究水基鐵磁流體與水的混合。他們在微通道正下方放置一個永磁體，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。在存在磁場的情況下，可以利用磁場強(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兀瑥亩舆t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。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。然而，鐵磁流體液滴的一般問題是它們在許多生物分析測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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