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比发丝更细的“河”,流淌着无尽可能

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【摘要】 文 鸽灰 微流体无处不在——从血糖仪、打印机喷墨头、哮喘喷雾,到动物的血液和植物中的水。而" 微流控 "(Microfluidics),则......

文 鸽灰

微流体无处不在——从血糖仪、打印机喷墨头、哮喘喷雾,到动物的血液和植物中的水。而" 微流控 "(Microfluidics),则是指对微流体传感、输送、检测和控制的技术;与其他微型元件一同集成的微系统 , " 在工业过程中的精确气体和液体流量控制、微量化学分析、微量医学注射和分析及高精度喷墨打印、微型发动机推进等方面具有良好的应用前景。"

前日,深圳一家公司的新冠核酸检测试纸获得了欧盟 CE 准入资格,其中便采用了微流控技术。无论是否采用微流控技术,胶体金试纸的检测原理是不变的:被测抗原与金颗粒上的抗体蛋白结合,形成色带。

然而,传统试纸中,样品液依靠纤维素膜的毛细作用向前流动,由样品液粘度和纤维素膜的孔隙状况决定其流速。如果流速太快,反应不充分,检测结果将显著低于实际值。此时,微流控技术就能 " 显神通 ":通过步进电机驱动的微流体泵,能以 0.0028 微升的精度推动液体在管道中的流动。如此一来,测试的一致性便摆脱了纤维素膜生产及样品粘稠度引入的不确定因素

胶体金试纸原理举例,图片来自 Development and clinical application of a rapid IgM-IgG combined antibody test for SARS-CoV-2 infection diagnosis

从为微流体 " 开辟河道 ",到为控制微流动而开发微传感器、微阀和微泵,无不与微电子技术密切相关。微流控技术的常见形式也与微电子如出一辙:芯片。只不过,光刻法在微流控芯片上开拓的是微米级的细管。

微量流体的流速和方向均可 " 随心而定 ",这意味着试样在芯片中的、混合、反应、分离等等常规分析操作都成为可能。故而,微流控芯片又被称作" 芯片上的实验室 "(Lab-on-a-chip);它的优势不仅在于能以极少的样品获得极大的信息量,更有可能发展成为" 微全分析系统 ",取代常规分析实验室," 使化学分析进入病房、生产现场甚至家庭。"

这项工作并不轻松。当几何尺寸极度缩小,其适用理论却不能相应地乘以倍数;微纳米级的流体表现出许多与宏观流体的不同的特征。液体的表面张力、电离产生的库仑力、极化产生的范德华力,这些宏观尺度下常常不予考虑的因素都开始发挥不可忽视的作用。截至本世纪出,液体在微管道中的流动规律仍未完全为人类所知

微流控的研究与产业化仍在深入,微流控的艺术却已经诞生。微流控芯片这一小得足以捧在手中的 " 画布 ",蕴含着怎样的潜能呢

1999 年,在发表一篇关于微加工方法的论文时,科学家菲利斯 · 弗兰克尔(Felice Frankel)和乔治 · 沃特西兹(George Whitesides)考虑到了微流体的视觉因素;这张照片也因此登上了 Science 封面。照片中,微量流体所携带的染料清晰地标示出流动的径迹:当来自多个通道的液体合并时,它们平行前进、相安无事。

含染料的微流体,图片来自 AAAS

阿尔伯特 · 福尔奇(Albert Folch)的微流控艺术品也有着相似的特征。有水彩画经验的人会立刻意识到图中染料运动的 " 不同寻常 " ——色相差异如此巨大的几种颜料居然没有扩散交融而变成一团脏灰色。这是为什么呢?

Folch 的作品,图片来自 YouTube

流体运动时受到惯性力和黏性力的作用;惯性力比黏性力的值就是雷诺数,能够反映哪一个力对运动起主导作用。当惯性力起主导作用雷诺数较大,流体的流动是湍流,例如水彩颜料在画纸上自由混合;而当黏性力起主导作用,即雷诺数较的时候,流体便会发生日常生活中较为少见的层流

层流可逆性实验,图片来 YouTube

微流控芯片中的管道直径在微米级别,其中的流体会因所受粘性力远大于惯性力而发生层流,就像" 在狭窄的走廊里人们会有序地移动;每个人都贴紧墙壁,保持在队列里 "。此时,流体沿平行线线性地流动,几乎不发生混合(毛细血管中的血液也是这样流动的)。

层流使得不同试剂" 能同时保持自身的流型不变只在相与相的接触界面上反应或分子扩散,并且具有较高的稳定性 ",故而在萃取、纳米材料制备、燃料电池等多个领域得到广泛应用。

另一位科学家坦纳 · 内维尔(Tanner Neville)的微流控艺术品显得更加具象——下图不是钢笔建筑速写,而是他在芯片上 " 画 " 出的金门大桥和加州大学伯克利分校坎帕尼钟楼。" 钟楼 " 仅仅由 6 条流体通道组成,且所有这些长通道的末端都是死角。为了使液体顺利地推进死角中,芯片在强真空下使用聚二甲基硅氧烷材料制备。在紫外线照射下,这些有机染料被固定为永久性的颜色。

Nevile 的作品,图片来自 gizmodo

灌入染料的常春藤叶片,图片来自 wiley

微流控艺术也不仅限于染料。冉 · 多里(Ran Drori)在微流控芯片中创造出了别样的雪花;当温度突然降低,冰晶如树枝般在微流控通道中生长。大卫 · 卡斯特罗(David Castro)和大卫 · 康乔索(David Conchouso)的作品则仿佛科幻作品里从航天器窗口望见的未知星体;它实际上是一滴充满混有人类 C 反应蛋白的凝集乳胶珠的液滴

冰晶,图片来自 biophysics.org

液滴,图片来自 Royal Society of Chemistry

下图的" 彩色骰子 ",其实是由超顺磁性胶体纳米晶簇和光固化单体溶液混合制成的颗粒。通过控制超顺磁性胶体纳米晶体间的距离,其所反射的光线也被控制,故而显示出预制的图案;当磁场改变,颜色也随之改变。通过光刻技术,微米级的彩色点被固定在颗粒的表面;这些小点可以在实验中起到区分、标识的作用,比起没有色彩的传统二进制编码方式,编码容量大大增加

六角形二维色标微粒,图片来自 Nature

略微遗憾的是,这些艺术作品并非来自美术家的工作室,而是科学家的实验室,实为科学研究的调剂品和副产物。还望微流控技术早日走出实验室,如电子芯片一般走入千家万户。

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