磁流体和微流控简介
1.磁流体和微流体简介
微流体的磁性操控是一个有吸引力的概念。由于磁场的非侵入性，可以通过不与流体直接接触的外部磁体在微流体通道内操纵磁性颗粒或磁性流体。铁磁流体构成一类特定的磁流体。铁磁流体是磁性纳米颗粒在非磁性载体流体中的稳定胶体悬浮液，并且它们表现出磁性和流体性质。可以施加外部磁场来控制它们的流体运动，并且即使在强磁场的影响下也能保持它们的流体特性。铁磁流体可以像单组分流体一样通过微流体装置的微通道移动。本综述将概述铁磁流体在微流体装置中的应用，用于泵送，混合，液滴产生，分选和分离，阀门和密封以及数字微流体。
2.用于微流体的铁磁流体
铁磁流体构成磁性材料的颗粒，例如分散在基础流体中的磁铁矿，磁赤铁矿或钴铁氧体，例如水或有机溶剂。颗粒的大小通常为5-20nm，颗粒的数量为每立方米10的23次方个颗粒。如果颗粒足够小，约15nm或更小，则铁磁流体表现为均匀的连续体。这意味着颗粒通过布朗运动保持悬浮，并且不会由于重力或磁场而沉降。为了保持相邻颗粒之间的间隔，纳米颗粒通常涂覆有表面活性剂层，因磁力和范德华力而倾向于粘附在一起。铁磁流体必须合成，它们不会出现在自然界中。
有两种方法可以制备铁磁流体：
一步法：纳米粒子直接在基液中制造
两步法：首先制备纳米颗粒，然后将其分离并再分散在基液中。
图1：在强磁场的影响下反射玻璃板上的铁磁流体（维基百科）
铁磁流体表现出超顺磁性。超顺磁性意味着当存在磁场时粒子被磁化，但是当磁场被去除时，它们表现得像非磁性材料，因为它们没有磁记忆。
铁磁流体中的热磁对流
铁磁流体中的磁性颗粒足够小以包含单个磁畴，因此净磁化取决于温度。低于临界温度，称为居里温度（T C），铁磁流体的磁矩在一个方向上排列，导致净磁化。当温度超过居里温度时，磁矩变为随机取向，并且铁磁流体失去其净磁化强度。施加的热梯度因此导致不均匀的磁化，并且铁磁流体将经历体力，即开尔文体力，沿着热梯度引起流体流动。这种热磁对流 可以在没有泵的情况下驱动铁磁流体。
铁磁流体的传热
磁性纳米颗粒的导热率通常高于基础流体的数量级。因此，纳米颗粒的添加显着增加了基础流体的导热性。这通常表现为导热系数的提高或对流换热系数的提高。当施加磁场时，已经观察到铁磁流体的传热系数的进一步增强。这被认为是由于磁性纳米粒子在所施加的磁场方向上的排列，形成了提供导热通路的链状结构。在强制和自由对流传热条件下都观察到了这些结果。因此，铁磁流体已被用作传热流体，例如用于冷却微型装置。
铁磁流体泵
Hatch等提出了一种铁磁流体泵，其中铁磁流体的塞子用于通过微通道泵送非铁磁流体。铁磁流体和非铁磁流体必须是不混溶的。他们的设备包括一个带有两个铁磁流体插头的圆形泵和两个控制插头运动的外部磁铁。一个塞子在入口和出口之间保持就位，用作关闭的阀门。另一个塞子被一个旋转磁铁围绕圆圈拖动，作为一个活塞，将液体推出并拉出圆形通道。
图2.圆形铁磁流体泵的主要草图。黑色结构代表铁磁流体插头，两个磁铁（M）用于移动它们（图来自Hatch等人）。
磁热泵
如本综述中所述，导致热磁对流的磁热效应可用于泵送微芯片中的流体。Love等人报道了一种磁热泵，其仅使用热场和磁场来驱动微通道中的流体流动。他们使用具有低居里温度的铁磁流体塞，其被磁场吸引到一个区域。然后对铁磁流体塞进行加热，并且当其温度接近居里温度时，流体的磁吸引力减弱，然后较冷的流体被吸引到磁场并移动加热的流体。这最终将建立流动并且泵用于推动非铁磁流体通过微系统。该原理如图3所示。
图3.作用于磁热泵中铁磁流体的场效应（来自Love等人的图））
混合
混合是微流体学中的关键概念，快速混合对许多生物和化学分析至关重要。提出了几种提高混合效率的策略，包括被动混合和主动混合。主动混合器通常比被动混合器具有更好的混合效率，但通常还需要更多能量并且具有更高的制造成本。有源混合器的另一个问题是焦耳加热（Joule heating）可能会损害生物样本。Tsai等开发了一种简单的低成本Y形微混合器，用于研究水基铁磁流体与水的混合。他们在微通道正下方放置一个永磁体，并改变体积流量和通道宽度，以获得改进的混合效率。他们发现，在永磁体的影响下，铁磁流体和水的混合效率可以达到90％以上，而同一微通道中仅通过扩散的混合效率始终低于15％。这种类型的磁力混合器具有不消耗能量和不产生热量的优点。还提出了其他类型的磁性微混合器，例如微型搅拌棒，它是由传统的搅拌板旋转或磁粒子磁泳。
图4. DI水和水基铁磁流体（左）没有磁铁和（右）磁铁之间的扩散（来自Tsai等的数字）
液滴形成
通过传统的在T型或流聚焦形成液滴的方法，可以在微流体系统中产生铁磁流体的液滴。然后可以在不混溶流体中或在平坦表面或基板上用外部磁场操纵铁磁流体液滴。Tan和Nguyen 研究了在由小圆形永磁体产生的磁场存在下在微流体T形结合处形成铁磁流体液滴。他们发现，在没有磁场的情况下，液滴尺寸随连续相的流速线性变化。在存在磁场的情况下，可以利用磁场强度，铁磁流体的磁化和磁体的位置来操纵液滴尺寸。将磁铁放置在T形接头的上游导致形成更大的液滴，因为磁力将新出的液滴拉回，从而延迟了液滴的破裂。将磁体放置在下游具有相反的效果，即加速液滴破裂。
阀门和密封件
Hartshorne等证明了使用长度约为10毫米的铁磁流体塞作为玻璃制造的微流体装置中的阀门和密封部件。他们研究了铁磁流体作为三种不同微流体配置的阀门的性能; 阀门密封在直通道中，作为Y型阀和井型阀。他们使用永久磁铁来操纵铁磁流体。这些阀门可以在低压差下很好地开启和关闭。在较高的压力下，他们观察到随流体顺流而下的一小部分铁磁流体的损失。
图5.铁磁流体阀门和密封件的主要草图（Hartshorne等人的图 ）
分类和分离
从混合物中分离目标颗粒是许多生物测定中的关键步骤。
磁性数字微流体
在数字微流体技术中，液滴可以在无封闭的平面上运动。分散的液滴可以作为化学或生物反应的单独反应室，也可以用作试剂的运输。在磁性数字微流体中，含有磁性颗粒（例如铁磁流体或液体弹珠）的液滴用永磁体或电磁体操纵。Nguyen等研究表明，固定的铁磁流体液滴可以通过永久磁铁变形，改变其表面接触角。观察到表面接触角随着磁场的增加而减小。他们称这种现象为磁化现象。将磁体放置在平坦的均匀表面下，如果磁力足够强，能够抵抗摩擦力和毛细管力，则液滴可以沿着平坦表面以与磁体相同的速度滑动。然而，铁磁流体液滴的一般问题是它们在许多生物分析测定中与水性缓冲液的环境不相容，因缓冲液使胶体悬浮液不稳定。
图6.磁保护的示意图(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.磁流体和微流体的结论和展望
微流体系统中使用磁流体的一系列工作。与电操作相比，磁操作的一些优点包括控制流动和传递性质（例如传热）以及不受pH，表面电荷或离子浓度影响的能力。然而，微磁流体主要保持在概念验证阶段。在技术可行之前，必须克服几个挑战。用于改善铁磁流体稳定性的表面活性剂，铁磁流体的一般问题是结垢后造成微通道堵塞。此外，铁磁流体的纳米级特性尚未完全了解，必须进一步研究才能真正发挥其独特的性质。
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