微流体（Microfluidics） 微流体是研究在微观尺度（通常通道尺寸在1微米到1毫米之间）内操纵和控制微小体积流体（通常在微升到皮升范围）的科学与技术。要理解它，我们需要从基本概念开始，逐步构建知识体系。 第一步：核心尺度与基本性质 首先，理解“微观尺度”是关键。当流体通道的尺寸减小到微米级时，支配流体行为的物理规律会发生显著变化。与宏观世界相比，以下几个物理量变得至关重要： 特征长度（L） ：即通道的直径或水力直径。从毫米降至微米，意味着减小了1000倍。 表面积与体积比 ：该比值与特征长度成反比（~1/L）。微米尺度下，该比值极大增加，这意味着表面效应（如表面张力、粘附力、表面化学反应）变得极其重要，而体积效应（如惯性力、重力）则相对弱化。 层流状态 ：流体流动状态由雷诺数（Re）决定，Re = ρvL/η，其中ρ是密度，v是流速，η是粘度。由于L很小，典型的微流体Re值远小于1。这意味着流动是高度 层流 的，流体层平滑流动，几乎不存在湍流。混合只能依靠缓慢的 分子扩散 。 第二步：主导作用力——从体积力到表面力 在宏观流体中，惯性力和重力通常是主导。在微流体中： 粘性力主导 ：由于Re极低，粘性力远大于惯性力。流动的阻力主要来自流体内部的粘性剪切。 重力可忽略 ：与表面张力或压力梯度相比，重力对微小流体的影响通常微不足道。 表面张力极其重要 ：巨大的表面积体积比使得表面能（表面张力）成为控制流体行为（如液滴生成、毛细填充、弯液面形状）的关键力。 电场力的有效应用 ：在微小尺度下，施加相对较低的电压即可产生很强的电场（因为E=V/d，d很小）。这使得 电渗流 和 电泳 成为驱动和控制流体及其中微粒/分子的高效手段。 第三步：关键现象与器件功能 基于上述物理特性，微流体中可以实现一系列独特的功能： 精确的流体操控 ：可以产生高度均匀、稳定的层流。通过设计通道网络，可以将多股流体并排流动而不混合，形成“层流扩散界面”，用于可控的浓度梯度生成或界面反应。 液滴微流体 ：利用两种互不相溶的流体（通常是油和水相），在特定的通道结构（如T型结、流动聚焦结构）中，表面张力失稳会导致连续相将分散相“剪断”，生成高度单分散的皮升到纳升体积的液滴。这些液滴可作为独立的微反应器，用于高通量筛选、PCR扩增等。 微混合 ：由于缺乏湍流，主动（如利用声、电、磁扰动）或被动（如设计蜿蜒、混沌的通道结构以增加接触面积和路径）的混合策略至关重要。 分离与检测 ：结合电泳、介电泳、过滤结构等，可以在芯片上实现对颗粒、细胞、DNA、蛋白质的高效分离与检测。扩散的快速性（由于距离L短）也使得某些传感响应更快。 第四步：核心方程——纳维-斯托克斯方程的简化 描述微流体低速流动的核心是 斯托克斯方程 ，它是纳维-斯托克斯方程在惯性项可忽略（Re→0）时的简化形式： η∇²v - ∇p = 0， 结合连续性方程 ∇·v = 0。 其中v是速度场，p是压力场。此方程是线性的，意味着流动响应与驱动力成正比，叠加原理成立。求解此方程（通常需配合无滑移边界条件）可以预测通道内的流速分布（通常是抛物线型的泊肃叶流）。 第五步：制造技术与典型材料 实现微流体系统依赖于微纳加工技术： 材料 ：早期主要使用硅和玻璃，利用光刻和蚀刻技术。现在最常用的是 聚二甲基硅氧烷（PDMS） ，一种弹性聚合物，通过软光刻技术（在模具上浇铸固化）可快速、低成本地制作复杂通道结构。其他材料包括热塑性塑料（如PMMA、PC），可通过注塑或热压成型实现大规模生产。 键合与封装 ：制作好通道后，需要与一个平板封接，形成封闭通道。PDMS常通过等离子体处理与玻璃或自身可逆/不可逆地键合。 第六步：应用领域 微流体因其小型化、自动化、高集成度、低试剂消耗和高通量潜力，被称为“芯片实验室”，主要应用于： 生物化学分析 ：如DNA测序、蛋白质分析、细胞代谢物检测。 生物医学研究 ： 器官芯片 （在芯片上模拟人体器官的微观结构和功能），单细胞分析与操作，高通量药物筛选。 诊断技术 ： 即时检测 设备的核心，用于病原体、生物标志物的快速现场检测。 化学合成 ：进行危险或昂贵的化学反应，实现快速筛选和优化。 材料科学 ：用于合成均匀的微纳米颗粒或功能性液滴。 总结 ：微流体的本质是 在表面力主导、层流统治的微小尺度下，对流体进行精确操控和利用的一门交叉学科 。它从基础物理（低雷诺数流体力学、表面科学）出发，通过微纳加工技术实现功能器件，最终在生物、化学、医学等领域带来革命性的应用。理解它，就是从理解“当一切变小”时物理规律如何变化开始。