ACS Nano | 光驱动的微流控界面泵

微/纳流控芯片通常依赖外部压力泵来驱动流体通过微小的管道。外部压力泵的缺点是驱动设备连接复杂、体积庞大，无法实现空间和时间上对流体的精准控制。采用化学能驱动流体具有无线操控、响应快、集成化程度高等优点，可被应用于微流控芯片作为化学泵。而以往报道中的化学泵仅仅能产生局部的循环流动，很难实现有效的流体定向运输。在此工作中，作者证明了具有光化学活性的Au/TiO2 Janus三维微柱阵列可以定向泵送流体。这些表面结构还可以以不同的朝向集成到微流体管道的管壁上，从而有效地改变微流道的截面上的流速分布。

图1. 界面泵的微柱阵列通过光刻及倾角沉积的微加工工艺制造。

近日，德国马克斯普朗克智能系统研究所和斯图加特大学的研究人员喻婷婷等人在ACS Nano上报道了一款新型的无线微流控界面泵。器件通过微流道表面修饰的Janus阵列结构将光能转化为化学势能，实现微管道内的液体驱动，为微流控芯片的微型化、无线化、可控化提供了应用前景。

       作者采用光刻和物理倾角气相沉积的制造技术在微流控管道壁上构建三维的Janus微柱阵列（图1）。微柱在紫外光照射下发生分解水的化学反应，形成化学浓度梯度引起绕柱的渗流。定向排列多个Janus微柱，使其协同作用产生定向的宏观流动，从而提供有效的驱动力运输微管道中的流体。调节紫外光光强可以控制化学反应的速率，从而调节流体泵的速度（图2）。作者通过实验优化了微柱的间距，并通过理论阐明过近的微柱间距会影响柱两侧化学产物的非对称分布，抑制非对称电动势和化学浓度产生的渗流；而过远的微柱间距会使绕柱的流场无法叠加，导致宏观流速减慢。

图2. 不同光强和柱间距对界面泵流速的影响。

常见的压力驱动的微流控芯片的截面流速呈抛物线分布，而新型的界面泵则可以通过调节通道壁上的滑移速度来调整微管道的截面流速分布。本文实现了三种不同的流速分布（图3）：抛物线轮廓由两个界面泵沿相同方向泵送流体实现；线性轮廓由两个界面泵沿相反方向泵送流体实现；非对称抛物线轮廓由单一界面泵泵送流体实现。实验所观测的结果与理论模型和数值仿真结果均有很好的吻合度。

图3. 界面泵可改变微流体管道的截面流速分布。

相比传统微流道的压力驱动方式，具有化学活性的界面泵有着明显的优势：它提供了任意操控微流道的界面流速分布的可能性。微流体的无线精准操控能力，对于清除流道内阻塞物和运输色谱分析物等应用有着重要意义。此外，理论模型还预测，当微流体通道尺寸进一步缩小至几百纳米的纳流体通道时，光化学反应驱动的界面泵将比传统压力泵展现出更大的优势，有望实现复杂的纳流体网络在空间和时间上的精确控制。

       相关论文发表在ACS Nano上，德国马克斯普朗克智能系统研究所、斯图加特大学的博士研究生喻婷婷为文章的第一作者，丘天博士和Athanasios G. Athanassiadis博士为共同通讯作者。

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ACS Nano 2020, ASAP Publication Date: September 18, 2020
       https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05826