基于MHD的微驱动泵研究的文献综述
摘要：微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为纳升到阿升）的系统所涉及的科学和技术[1]，在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。高效驱动微流道中的流体是其关键技术之一。其中，磁流体动力学（magnetohydrodynamics，MHD）驱动[2-8]是基于导电液体在电磁场中受到洛伦兹力而发生运动状态变化的一种技术，因其具有结构简单、可双向泵浦以及操作电压低等独特优点而得到关注。本文通过分析目前国内外部分专家学者对微流控研究的总体概况，梳理、总结了相关文献，拟结合MHD技术开展进一步的研究。
关键词：微流控、MHD驱动
- 前言
微流控技术[9]的应用，主要实现方式是采用某种方式驱动液体从一个区域到另一个的一个区域，根据需要控制流体的运动，以实现流体的输运、搅拌或者分离的功用。然而，由于器件尺度的微型化，要实现这些功用也是困难的工作。MHD驱动技术的提出，提供了一个合理的、廉价的、灵活的、可定制的综合解决方案，因此近些年来吸引了大量研究人员和学者的兴趣，并在物理实验、理论分析和实际应用工程等方面取得了大量的研究成果[10-14]，例如基于MHD驱动技术的微泵、微流控网络状管道、搅拌器等方面得到了实际的应用[15]。这些应用也正因为此技术具有使用电压低、器件结构简单、经济性好等优点。在下文中，通过回顾基于 MHD驱动技术的现阶段的典型应用来对其研究现状以及文献做一下总的阐述。
- 国内外现状研究
- 基于MHD驱动技术的微泵
MHD驱动技术应用最为广泛的是流体驱动泵。它是由一个流道以及放置在流道两侧壁的两个电极，流道充满了电解质溶液或液体金属等导电介质，在流上、下位置或者同时放置磁铁形成磁场，通过流道内电极间的电流与磁场的相互作用产生洛伦兹力来实现驱动流体。磁场的设置可以通过采用永久磁铁或电磁铁，当管道和电极足够长时，将使得管道内的流体流动得到充分发展而形成相对稳定的流动状态。
- 基于 MHD 驱动技术的微流体网络
在微流控芯片应用中，常常需要在一个网络管道中输运流体和试剂，而流体的控制通常需要使用泵和阀门。因为一般的机械阀门和泵器件结构复杂，应用在微流控芯片通常难以实现。而采用MHD驱动技术设计的器件则不需要任何机械部件，这一点可以作为一个解决方案应用到微流控芯片上。基于MHD驱动技术的微流体网络[16]的基本思想是使用许多的管道，通过单独或者统一控制调整电场和磁场情况，可以实现无需机械阀门的对管道内的流体流动路径的控制。
- 基于MHD驱动技术的微搅拌器
微流控技术的特征尺度通常仅几百微米或者1毫米，在这种尺度下的流体流动和宏观尺度的现象有明显的不同，在这种尺度下流体流动为低雷诺数的层流[17]，很少出现湍流状态。对于生物化学分析等应用，液体能否迅速混合是一个至关重要的标准，但是在微流控技术的流体层流状态对液体的混合和分子扩散有着很大的不利影响。例如，在室温下肌球蛋白在水中的扩散系数 10-11m/ s，但是在一条长度为100微米的管道中，肌球蛋白的扩散时间大约103秒，这种效率极大的影响了相关的研究。所以为了实现高效率的化学反应和生物分析，微流控芯片有时必须集成微搅拌器（Micro-stirrers）[18-21]。MHD 驱动技术为我们提供了一种相对简单的混合和搅拌方式。现阶段基于MHD驱动技术的搅拌器有两种：主动搅拌器和被动搅拌器。主动搅拌器就是通过改变电极的极性，来实现对流体作用的洛伦兹力方向的调整，以此来改变流体的状态，实现搅拌功能。而被动搅拌器是通过采用在流道内设置不同的几何结构件，当流体在流经复杂的几何结构件时，会在流道内产生剪切流动和随机对流，以此来实现搅拌混合的功用。
- 结论
MHD驱动器件有结构简单、容易制造、经济性好、可以双向调动流体以及使用电压低等独特的优点，因此MHD 驱动技术的应用前景十分广泛。但对其研究主要是科学实验，因其涉及电场、磁场以及流场的多物理场耦合，数值仿真分析难度较大，相关研究也较少。为了进一步研究和应用MHD驱动技术，对其的数值仿真分析成为现阶段迫切需要解决的问题。因此，笔者选择MHD驱动技术的理论仿真作为研究对象，研究不同电场、磁场、导电流体和流道尺寸等关键参量的相互关系及影响，希望能推动MHD驱动技术理论研究以及应用实践方面的发展。
参考文献
