通过外部温度梯度增强微流控芯片中的电热流动

微流控芯片技术是一种将微流体操控集成在微小芯片上的技术，它利用微小的流道、腔室等，使得在极小的体积内进行生物、化学等实验成为可能。随着科技进步，微流控芯片技术在生物化学、医学等领域的应用变得越来越广泛。其中，交流动电现象（AC electrokinetic phenomena）是微流控芯片中重要的驱动技术之一，主要包括介电泳（DEP）、交流电渗流（ACEO）和电热效应（ETE）等。 交流动电现象中的电热流，是由焦耳热引起的温差梯度造成的。焦耳热是当电流通过电阻性材料时，电能转化为热能而引起的。在微流控芯片中，当电流通过施加在微通道上的电场时，会产生焦耳热，从而引起温度的升高。由于芯片的温度分布不均匀，产生的温度梯度会推动流体运动，形成电热流动。电热流动是一种电场引起的流体动力学现象，它依赖于温度梯度和流体的物理性质（如介电常数、电导率等）。 本文提出了一种在微流控芯片设计中通过施加芯片厚度方向的温度梯度来增强电热流动的方法。文章作者通过在微通道基底背面设置恒温液体，施加沿芯片厚度方向的温度梯度，并利用数值模拟方法研究了不同外加温度梯度下电热效应流场的分布。研究发现，外加温度梯度可以有效增强交流动电微流控芯片中的电热流动效果。 通过这项研究，不仅展示了温度梯度在微流控芯片技术中的重要性，而且提供了一种通过温度调控来优化微流控芯片性能的新方法。这对于提高微流控芯片的效率和性能具有重要的实际意义。 微流控芯片技术的核心在于其能够实现精准控制的流体操控，这在实验室自动化、微反应器、细胞分析等领域有着广泛的应用前景。例如，微流控芯片可以用于生物分子的分离、细胞培养和分析、蛋白质结晶实验、DNA测序等。它在提高实验效率、减少实验成本、缩短研发周期等方面均表现出巨大优势。 此外，交流动电现象的发现与应用也推动了相关理论的发展。自从1978年Pohl发现交流动电现象以来，人们对DEP和ACEO等现象的研究不断深入，它们在操控微米或纳米级别的颗粒、混合化学物质、操控颗粒等方面展现出独特的功能。而ETE由于其能够引起流体的温度梯度和随后的流体运动，成为了微流控芯片设计中另一个重要的动电现象。 对于微流控芯片的材料与设计，微通道的选择至关重要，它通常影响到芯片的整体性能。微通道的尺寸、形状、材料和表面特性等都会对流体动力学行为产生影响。优化设计和材料选择可以有效减少流体流动中的能量损耗，提高流体操控的精度。 本文通过实验设计和数值模拟，证明了外部温度梯度对于增强微流控芯片中电热流动效果的有效性，这不仅扩展了微流控芯片技术的应用范围，还为未来的研究和开发提供了新的思路。通过微流控芯片技术，未来将能够更加高效地在分子、细胞层面上进行研究和探索，为生物医学和化学领域的发展贡献新的动力。