[发明专利]通过诱导电流变或磁流变效应控制含生物材料液体流动的方法

说明书

本发明涉及一种在微流控器件(例如芯片实验室器件或生物传感器)的微通道内控制或操纵包含生物材料或生物分子(例如体液)的液体流动的方法。

“芯片实验室器件”是微尺度芯片上的综合微流控系统，也称作微芯片。对该类器件有用的文献是“Microsystem Engineering of Lab-on-a-Chip Devices，Geschke et al.，Wiley，2004”。微芯片可由玻璃、聚合物或硅制成并可包括通道、混频器、储存器、扩散盒、集成电极、泵、阀等。芯片实验室系统用各种读出模式集成许多的流体操作，例如混合和/或分离，为了获得非常小体积如纳升级的生物化学或生物学反应的快速分析。在芯片实验室技术中化学合成和/或分析在集成在筒内的微观通道内进行。该系统的主要优点是急剧减少反应物体积用量、由于微通道中短扩散长度带来的高反应速率、电和/或光传感器的集成、以及可能制成非常低成本的一次性设备，对这一点生物系统尤其感兴趣。

进行反应需要操纵液体流动以用于混合、过滤、萃取、保温和/或传感目的。通常，流体路线由通道、泵和阀的组合确定。但是对于低成本一次性设备，重要的是用低成本技术执行基本功能。抽吸可通过外力(如压力)，通过毛细管力或通过力场如电力、重力等完成。关于阀，可使用主动或被动阀。包括移动部件的主动阀(MEMS)很难制造且缺乏可靠性。基于界面张力的被动阀是非常吸引人的，但仅在流动前沿起作用，而在连续流中就不再起作用。缺乏简易的主动阀可将其集成到一次性筒技术中。

电流变或磁流变(ER或MR)流体是可使用外界电场或磁场容易控制其流变性(粘性、屈服应力、剪切模量等)的灵敏材料。ER或MR流体可在一毫秒内在电或磁场帮助下由液体状材料转换为固体状材料。这种现象被称为ER或MR效应。ER或MR效应的独特特征是ER或MR流体可以由液态可逆连续转变到固态。

电流变流体(ERFs)的性质可电控。ERFs的这些电控流变性质可在需要产生阻尼力或阻力的宽范围技术中使用。这种应用的实例可以是主动振动抑制和运动控制。已开发出几个商业应用，大部分用于汽车工业，例如ERF基发动机架、减震器、离合器和座椅减震器。其它应用包括变阻运动设备、抗震高结构和定位。

在这种磁流变(MR)和电流变(ER)液体的几乎所有应用中，分别使用磁场电场以便引起ER或MR液体粘性升高。该效应可用于泵和传动器中，以及断路器中。

ER或MR效应曾在各种评论文章中集中讨论过。对于ER或MR正面效应通常可接受的观点是颗粒形成原纤维链，其促使流变学参数的陡然增加。

大多数ER或MR流体由分散在液体中的颗粒制成。图2表示了一条包含ER或MR流体的通道8。附图标记9表示存在于ER或MR流体中的颗粒。图3表示在电场或磁场存在下，例如通过电极10在ER或MR流体上施加电场时，ER或MR流体的颗粒9如何由于感应偶极距沿施加场的场线形成链。该结构引起ER或MR流体的粘性、屈服应力和其它性质的改变，这使ER或MR流体以毫秒数量级的对在电场或磁场内变化的响应时间由液体的的稠性改变为粘弹性的东西。

ER或MR流体的分散相既可以是固体(形成悬浮液)也可以是液体(形成乳液)，其颗粒可以是陶瓷、有机物或聚合物。颗粒尺寸和形状对ER或MR效应有影响。颗粒尺寸对ER或MR效应的影响十分不同。尺寸为0.1μm-100μm的颗粒通常用于制备ER或MR流体。如果颗粒太小则认为ER或MR效应弱，因为布朗运动易于与颗粒纤维性颤动竞争。同样认为非常大的颗粒也会显示出弱的ER效应，因为沉淀会阻止颗粒形成纤维性颤动桥。众所周知，多相系统的介电性质大部分取决于分散颗粒的几何结构。由于ER效应由外电场诱导，悬浮液的介电性质被认为就如分散颗粒的几何结构一样在ER效应中扮演重要角色。椭圆体颗粒应该比球形颗粒提供更强的ER效应，因为椭圆体颗粒由于更大的电场感应力矩而增强颗粒链的形成。实验结果显示动态模量随颗粒几何纵横比(长度比直径)几乎成直线增加。椭圆体/球体掺合物系统比单成分系统显示出更强的ER或MR效应。