微流控技术的最新进展开发了许多在微观尺度上操控液体的成熟技术[1]、[2]。这些技术显著提高了这种小尺度下的流体控制精度和效率，使得在生物医学研究[2]、化学分析[3]和材料科学[4]等领域有了广泛的应用。大多数这些进展都集中在连续流操控平台上，其中液体通过微通道进行导向和控制。这些系统已经变得非常复杂，为各种应用提供了可靠且一致的性能[3]。然而，固定微通道设计的固有局限性促使人们开发了更灵活的方法，尤其是数字微流控（DMF）[5]。
DMF减少了试剂消耗[6]，通过并行处理加速了检测过程[7]，并通过在软件中定义流体路径而非依赖固定通道几何形状实现了无缝重构[8]。这些平台旨在用于封闭通道或开放表面上的液滴操控，带来了独特的挑战和机遇[9]。与封闭通道DMF系统相比，开放表面DMF平台在处理小体积液体方面具有更大的灵活性，能够精确控制液滴相互作用，并在最小化污染风险的同时便于分离特定样本[10]、[11]。
液态珠子是一种创新的涂层液滴，自Aussillous等人首次报道以来[12]、[13]，引起了研究界的广泛关注。液态珠子是涂有微纳米粒子的液滴，这种涂层将液体与周围环境隔离开来[14]。与纯液滴相比，液态珠子表现出不同的物理特性，包括蒸发速率[15]、振荡[16]、界面[17]和润湿行为[18]。涂层壳层作为液体与基底之间的屏障，使液态珠子能够在不润湿表面的情况下移动。这一独特特性使得液态珠子能够解决数字微流控设备面临的一些问题，例如在处理少量液体时的质量损失或交叉污染。
由于这些独特的特性，液态珠子最近作为微反应器在化学和生物应用中受到了关注[19]。它们的一个关键优势是能够容纳从亚微升到几百微升不等的不同体积的液体[20]。这种灵活性使它们非常适合各种实验设置，特别是在需要精确控制少量液体的应用中。Arbatan等人[21]展示了液态珠子在血型鉴定中的应用。这种方法简单、成本低廉，不需要特殊设备。血液样本的封装防止了生物危害污染，并允许安全处置。同样，Sreejith等人[22]探索了液态珠子在聚合酶链反应（PCR）中的应用。为了提高其稳定性，他们开发了含有光聚合物的复合液态珠子，这些珠子可以转化为核壳结构。这些固体、非多孔的珠子能够安全储存PCR产物，延长其使用期限，而无需担心交叉污染的风险。
液态珠子通过多种刺激进行操控，例如声学[23]、光学[24]、电学[25]和磁性[26]、[27]方法。例如，Chen等人[23]展示了通过声学方法驱动液态珠子相互碰撞，从而实现可控的碰撞和合并。光学操控利用激光诱导的热毛细效应或辐射压力通过Marangoni流动来控制运动[24]。电学操控利用静电力或电润湿来调节表面特性，以实现变形和定向运动[25]。磁性操控则是在液态珠子内部嵌入磁性纳米粒子，从而利用外部磁场实现远程控制，实现精确的定位和运输[26]、[28]。
与其他液态珠子操控技术相比，磁性操控具有多个优势，尤其是远程可控性、易于实施和成本效益。在磁响应性液态珠子中，磁性成分可以嵌入液体核心或作为外壳的一部分。例如，Khaw等人在液体核心内使用了磁性颗粒，并后续研究了这种磁性液态珠子的动态行为[29]、[30]。Dayyani等人[31]使用涂有磁性外壳的液态珠子在恒定磁场和脉宽调制（PWM）磁场下展示了运动。然而，在这两种方法中，磁性颗粒都有从外壳脱落并迁移到液体核心内的风险。此外，将磁性颗粒分散在液体核心周围会导致磁力密度降低，从而对磁刺激的反应减弱。为了解决这些问题，Bormashenko等人[32]首次将铁磁流体作为液态珠子的核心材料，增强了磁操控的响应性。
铁磁流体由悬浮在载体液体中的铁磁纳米粒子组成，已广泛应用于磁性DMF[33]、[34]中。纯铁磁流体液滴在微流控应用中得到了广泛研究，包括液滴形成[35]、[36]、[37]、分裂[38]、合并[39]和运输[40]。当铁磁流体液滴作为液态珠子的液体核心时，就形成了铁磁流体珠子（FM），它结合了液态珠子和铁磁流体的优点。因此，FM的操控吸引了大量研究关注。例如，Yang等人[41]展示了液态珠子在水面上作为增强型微混合器的应用；尽管可以实现双向运动，但对FM动态的精确控制仍然有限。其他方法则在工作区下方放置电磁铁，但这些系统中作用在FM上的磁力是吸引性的且单向的，限制了可控性[28]、[42]。Sarkhosh等人[26]引入了排斥性磁驱动来改进FM的控制；然而，由此产生的运动仍然是单向的。
FM的磁驱动具有多个优势；然而，某些生物成分可能与铁磁流体中的Fe₃O₄纳米颗粒不兼容。解决这一挑战的一种方法是使用磁驱动的FM来操控NMLMs。Azizian等人[43]首次提出了这种方法，他们通过NMLMs与FM之间的碰撞来实现操控。然而，在这种方法中，无法控制NMLMs与FM相互作用后的运动。相比之下，通过毛细力耦合的系统可以将FM和NMLMs保持在一起。因此，FM的磁驱动同时也能驱动附着的NMLMs。
在液-液界面处静止的亚毫米级物体（直径约为0.02–0.6毫米）的行为主要受毛细作用支配。颗粒的重量会局部变形界面，由此产生的弯月面梯度会产生横向力，将相邻物体拉在一起[44]。毛细力也作用于漂浮的液态珠子，由于它们彼此靠近，它们会相互吸引并保持在一起，形成液态珠子集合体（LME）。之前有研究测量了漂浮在水面上的液态珠子的摩擦系数[45]、[46]。基于这一概念，FM和非磁性液态珠子（NMLM）之间也存在毛细力。通过对FM施加磁力，也可以间接操控NMLM。
尽管在直接操控NMLMs方面已有大量研究，但文献中缺乏关于其间接磁驱动控制的策略，尤其是在生物相容性NMLMs方面。以前的方法主要依赖于通过吸引性磁力直接操控含有磁性成分的液态珠子，这限制了它们的应用范围。本文通过提出一种综合方法来填补这一空白，该方法利用共享水面变形（WSD）的伴随FM来传输漂浮的NMLMs。为了实现双向运动，结合使用了亥姆霍兹线圈和永磁体（PM）来在FM上产生可切换的吸引和排斥磁力。研究了亥姆霍兹线圈电流、FM和NMLMs的数量和体积以及FM与PM的初始距离对LME动态的影响。此外，还开发了一个描述LME运动的分析模型，并展示了通过FM对NMLM的操纵控制，从而为敏感的生物微流控应用提供了一个多功能、无接触的精确操控平台。
