2.3.1 微阀
微阀驱动和控制微流体通过微通道在各单元流动，进行物质传递，这是微流控芯片区别于点阵式芯片的基本特征。通常，在微流控系统中，通过阀来实现开关，以控制流体的流动方向，起到控制性限流作用；通过泵来实现流体的驱动，泵起着传输液流和分配液流的作用，是实现微流体控制的前提和基础；还可以通过通道的设计来控制流体的流动和混合。
理论上，凡是能控制微通道闭合和开启状态的部件均能作为微流控芯片中的微阀。一个理想的微阀应该具有的特征有低泄漏、低功耗、速度快、线性范围宽、适应面广等。依据制动机理不同，微阀主要包括以下几种类型：气动微(泵)阀、相变阀、形状记忆合金、静电阀、电动阀、电磁阀、光学捕获微(泵)阀、转矩控制等。按微阀的结构，根据有无驱动力可将微阀分为有源阀、无源阀，或称主动微阀、被动微阀。有源阀利用芯片上安装制动器产生的制动力来实现阀的开闭或切换操作。有源阀通常由制动部件和薄膜构成。有源阀可分为机械制动(包括磁阀、电阀、压电阀和热驱动微阀等，如图2.2[27]所示)、非机械制动(包括双稳态阀、电化学、相变阀和流变阀)和外部制动(包括气动阀)。表2.2对不同种类的微阀进行了初步总结。
表2.2 不同种类的微阀
磁控微阀具有驱动力大、响应速度快、高度可控，以及可以局部控制等优点。有多种不同的磁性材料被用于制备微流体磁控微阀，包括电镀铁镍合金软磁材料、磁性水凝胶、磁流体、磁流变体、磁性掺杂的弹性材料等。以磁流变体为例，磁流变体是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，这种悬浮体在零磁场条件下呈现低黏度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下则呈现高黏度、低流动性的Bingham体特性。在无磁场时，中间的PDMS膜不发生形变，微阀处于开启状态，流体可以自由流动。在磁流变体下方施加磁场时，磁场作用导致PDMS薄膜发生形变，封闭微流体通道，从而实现微阀的关闭。与磁性掺杂的PDMS膜等相比，磁流变液的磁导率更高，在相同磁场下可以得到更大的薄膜形变，这有利于制备更小的磁控微阀器件以及集成大规模生物微流控芯片[22，28]。
图2.2 带有机械移动部件的主动微阀启动原理示意图(书后附彩插)
(a)电磁；(b)静电；(c)压电；(d)双金属；(e)热动；(f)形状记忆合金
静电微阀需要两个对电极实现微阀的开关功能，如利用聚对二甲苯作为绝缘层、分离电极、微通道。上层微孔道中有悬浮的柱结构，在无电压施加时，微阀处于关闭状态；当连接两个电极并施加电压大于启动电压时，聚对二甲苯层坍塌至下面的驱动腔，微阀开启，上层的流体通道中的流体可以流动。对于小型结构，静电制动很有吸引力，但要求较高的电压。外接电磁制动器能产生较大的作用力和位移，速度快且需要的功耗较小，但体积较大。
压电是某些晶体能够产生的机械应力或用电拉伸。由于压电效应可以产生较大的弯曲力(几MPa)，但实现长程输送还有挑战，因此压电驱动广泛应用于微型泵(应变小于0.1%)。
热驱动微阀的使用(如双金属、热空气、形状记忆合金驱动)，可以在增加推动力的同时达到大冲程。虽然热驱动微阀有驱动速度相对较慢、高功率温度变化的不足，且由于热扩散而不合适许多流体，但其结构简单，因此具有吸引力。在功耗方面，双稳态驱动是首选，因为它只需要在两个稳定模式之间的过渡期间消耗功率。
无机械运动部件的主动微阀可基于电动、相改变、流变学驱动。能够驱动流体的电动方式也可以用于阀限流。电动驱动实际上利用的是在缓冲液条件下硅质通道内壁所产生的电渗流，或者在通道中利用整体柱所产生的电渗流来构建被动微阀，可以在相对较低的电压下提供较大的力和挠度，但是容易受到芯片通道内壁或者整体柱表面特性以及缓冲液条件影响。
相变阀利用阀材料相变控制流体流动，不需要气动连接。相变阀采用比如石蜡、水凝胶、溶胶-凝胶和冰等材料。大部分相变阀的设计引入一个加热(或冷却)单元，进而控制阀的固化(或液化)相变。相变阀消耗能源，如温度、pH、电。相变驱动由于其成本相对较低，在一次性生物芯片中非常有用。但是相变阀的反应时间较长，不适合需要快速液流转换的场合，而用电场或磁场可以远程快速启动控制电流变或磁流变材料。
气动阀是指通过气体压力控制弹性膜形变，进而控制流体在微通道的流动行为。气动阀是最为常见的无源微阀之一，由Stephen Quake's的小组在2000年推出[29]，如图2.3所示，其通过一个“控制线”或“控制通道”在PDMS膜上施加压力，通过密封在阀座上的PDMS膜发生变形或偏转来中断流动。气动阀受欢迎的原因无疑是它们可以很容易地与大多数实验室熟悉的标准软光刻工艺集成。驱动膜的控制通道最常通过外部驱动气体压力源，但也可以填充液体，以免空气渗入微通道穿过薄膜。气动阀主要有三种类型：常开、常闭、侧向偏转。
外部驱动的主动阀包括芯片上的开放式界面阀模块(world-to-chip)[30，31]、旋转阀[32]，以及由外部气动气压或真空驱动的芯片上的薄膜或微阀。此类阀简单易行，可轻松操纵微量液体，在高压条件下仍然没有泄漏，是最实用的阀控制方法之一，被应用于各种生物化学微全分析系统，包括构建微阀阵列实现多反应并行，但其需要额外的芯片外接装置而不利于微型化，在工作时不便于携带。
图2.3 气动阀(书后附彩插)
(a)弹性蠕动泵3D示意图；(b)多路蠕动泵示意图
理想的情况是以最小的功率产生压力，不仅容易制作，而且使用计算机即可控制微阀。夹管阀与PDMS气动阀有相似之处，但是有两点关键区别：夹管阀不是基于与携带气流通道相邻PDMS薄膜的变形，而是基于构成器件整体PDMS的变形；夹管阀不是基于远程输送压力构建压力供应墙，而是在芯片上原位产生压力。夹管阀模式可以实现零泄漏、零死体积、快速响应以及高流速，并且易于更换管路，通常较受欢迎[27]。
有源阀的优点有动作切实可靠、制动力较强、密闭性较好，其既可用于单向阀，也可用于切换阀的制作。但是有源阀的整体系统结构较复杂，附加体积较大，制作难度较大，这在一定程度上影响了此类微阀的广泛使用。有源阀的每种制动机理都有其优缺点。
无源阀也称被动阀，主要依靠阀两端的压力差或者方向的转换来实现开关。无源阀包括双晶片单向阀、凝胶阀等，其优点是体积小，但是不能实现自动开关或切换阀。含机械部件的被动无源阀(或止回阀)、往复排量微型泵的入口和出口处有如皮瓣、薄膜、球形球或移动结构等机械运动部件。被动阀常用较廉价的聚合物材料制备，且器件的平面设计使得该阀更容易集成到微流控芯片系统。
毛细管微阀既可以被主动控制也可以被动控制，包括电毛细管、热毛细管或被动毛细管。电毛细效应也称为电润湿，是在表面上由局部电位差引起的。热毛细管效应是由表面温度梯度引起的。被动毛细管效应利用了对几何形状的依赖性或表面性质(疏水或亲水表面)。利用微通道自身的形貌特征和表面性质可以自发实现微阀的开启和关闭。通过简单的微孔道尺寸(或结构)的突然变化，假设流体在一个疏水的微通道内流动，当液体从平整区域行进到粗糙区域突变处时，由于表面粗糙度的存在，液体原本的表观接触角小于突变区域的前进角，在粗糙区域流动时所需克服的拉普拉斯压力有所增加，因此如果流体的液压小于所需要克服的破裂压力，突变处的气-液-固三相线就会出现停滞状态(符合吉布斯不等式条件)，毛细微阀关闭。当采用增加流体的驱动压力、离心力、重力等方式使液压增大到大于所需克服的破裂压力时，表观接触角也增加；只有增加至大于突变区域的前进角，气-液-固三相线才会往前移动，流体可以在粗糙通道内流动，微阀开启。除了疏水微阀以外，还可以通过超亲水、亲水、疏水、超疏水等浸润状态的不同组合来实现毛细微阀[33]。
自然界有许多生物表面(如水稻叶、蝴蝶翅膀和花瓣等)呈现不同的图案化陈列结构，不同的形状、大小和排列方式的图案表现出各种润湿特性，如超疏水性、超亲水性、各向异性润湿性等。受动植物表面阵列结构及其润湿特性的启发，采用仿生技术，研发各种人工制备的图案化阵已在自清洁、流体控制、防覆冰以及微流控等领域得到应用[34]。近年来，研究人员也报道了基于各向异性浸润性表面的微阀以及微孔道中的流体控制方法[35，36]。各向异性浸润是指液体及其伴随的浸润性在材料表面的不均匀分布，当气-液-固三相线与材料表面的物理不连续及化学异质相遇时，便会产生各向异性浸润行为。采用人工仿生制作各向异性浸润结构及表面，进而控制液体在特定方向上的浸润和流动。例如，对椭圆微柱阵列进行不对称的亲疏水化学修饰，制备了具有各向异性浸润性的微柱阵列。当流体的驱动力小于微阀的阀值压力时，流体只在亲水修饰方向的微通道中流动，从而抑制朝向疏水修饰方向的流动，微阀关闭；通过增大压力到阈值以上，可实现疏水方向孔道中的流体流动，微阀开启。各向异性浸润性表面在微流控芯片中的引入，为微通道的流体调控提供了新的思路[22]。
微阀的种类和可使用的制动力种类繁多，实际采用何种组合则需要依据具体的实验加工条件和对微性能的要求而定。例如，应用于生物和化学领域，在高压下不发生泄漏是保证生化分析结果的关键要素。实际应用中，气动阀或模块阀这样的外部阀系统非常有用，因为阀开关和闭合的性能优良。对于生命科学应用，非机械主动或毛细管被动微阀由于成本低且容易实现，是集成到LOC设备中的首选。如果不在意系统体积，则推荐采用基于外部系统的微阀。