（分析化学专业论文）一种基于玻璃—pdms复合式微流控芯片气动微泵系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是分析化学发展的热点领域，也是微全分 辑系统( 弘t a s ) 戆藿要组减帮分。擞浚控芯片分辑系统在缝麴上瓣灌要特惩楚蚕 种构型的微通道网络，通过对通道内流体的操控，完成芯片系统的各种分析分离 功能。矮核心是对微流体的控割，丽磷究与徽邋道魍适应越微流体驱动技术怒实 现微流体控制的前提和基础。随着微流体系统，尤其是生物芯片和缩微芯片实验 室( 1 a b - o n c h i p ) 技术的发展，微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动技术越来 越引怒人们的重视，基予不闻制动原理的微驱动技术屡出不穷。冒前微流控芯片 分析系统中使用较多的驱动方式是电渗流驱动和压力驱动。前者需要多点高压电 源设备，驱动系统较为庞大复杂；螽者主要包括两释，蕊是稠嗣强部的宏溅泵 或注射器与微流体管道祸合，这种方法简单、昝易实现、成本低、而且已经商业 位，毽不岛l ，l 、鍪纯建它戆一令主要簸点；另一弹徽滚藩鹣j 薹力驱动方式是暴鬻微 机械加工技术制作的微泵来提供驱动力，而这种微流体泶又存在着制作工甓复 杂、徐楱暴责等姣貉。 本文在对近年来u t a s 领域有关p d m s 气动微泵的研究报道谶行综述的熬础 上，设计了一种制搏楚单，嬲工成本低，并可围时实现对多流路进彳亍控制的玻璃 一p d m s 蠕动受气动微泵芯片。实验中在所建立的集成化微浆系统上，以 1 u m i n o 一k 。 f e ( c n ) 。 _ e o 。化学发光体系为模烈考察了系统的分析性能。对 4 x1 0 ”m o l lk 3 f e ( c n ) 。 检测的重现性为0 9 ( r s d ，n = 7 ) ，线性范围6 x1 0 一6 l o m o l 儿，线性市镊关系数r 2 = o 9 9 9 0 ，枪出限为8 xi 0 m o l l 。 实验结巢表稿，稠瘸渡璃与p d m s 之闻貔可靠葑谈以及p d m s 薄貘的森弹 性特征加工制作的复合型气动微泵芯片具有结构简单，操作方便，性能稳定簿特 点，逶避设诗不黼擒型夔滚滚逶遂秘气路控铡邋道徽维褥，哥实瑗肇一微泵鼹多 路液流的同时驱动，在，+ 定程度上提高了系统的集成化密度。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s a s 勰i m p o r t a n tp a r to fg t a sm i c r o f l u i d i cc h i pi sv e r yp r e v a l e n ti n t h ed e v e l o p m e n to fa n a l y t i c a lc h e m i s t r y t h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e ri nt h es t r u c t u r e o fm i c r o f i u i d i cc h i pi sa l lk i n d so fm i c r o s c a l ec h a n n e l s ，t h ea n a l ) t i c a lc a p a b i l i t yo f m i c r o c h i p si sa c h i e v e db y t h ec o n t r o lo ff l u i d i cc h a n n e l s s ot h er e s e a r c h o f m i c r o p u m p st h a ta d j u s tt om i c r o s c a l ec h a n n e li st h eb a s i so fa c h i e v i n gm i c r o f u i d i c h a n d l i n g o v e rt h el a s td e c a d e ，e l e c t r o o s m o s i sh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi n t h e m i c r o f l u d i et r a n s p o r t t h i ss i m p l em e t h o di sv e r ya d v a n t a g e o u si nm o v i n gaf l u i d f r e e l ye v e ni nc o m p l i c a t e dm i c r o f l o wc h a n n e l sc o n n e c t e dw i t he a c ho t h e r b u tt h e h i g hd r i v ev o l t a g ea n dt h ep o w e rs o u r c em u c hl a r g e rt h a nm i c r o c h i pi t s e l fp r e s e n t g r e a tp r o b l e m s a n o t h e rp o s s i b i l i t yt oa c h i e v ec o n t r o l l e df l u i dh a n d l i n gi s t ou s e p u m p sa n dv a l v e s t h i sc o n v e n t i o n a la p p r o a c hi sc o n s i d e r e dt ob eag o o dh a n d l i n g m e t h o di nt h ec o m i n gy e a r s h o w e v e r , m a n yo f t h e ma r ed i f f i c u l tt of a b r i c a t ea n dt h e i n t e g r a t i o ni n t oam i c r o s y s t e md on o ts e e m t ob et o t a l l ys u c c e s s f u la tp r e s e n t b a s e do nt h el i t e r a t u r e sa b o u tt h es t u d yo fp o l y d i m e t h y l s i l o x a n ep e r i s t a l t i c m i c r o p u m p sa n dc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e c t i o ni n d t t a sf o rt h e s ey e a r s ，t h i st h e s i s b r o u g h tf o r w a r dan o v e la p p r o a c hf o rm i c r o f a b r i c a t i o n o fm o d i f i e d p n e u m a t i c m i c r o p u m po nm i c r o f l n i d i cc h i p sw i t hw h i c ht h ed o u b l e f l u i dc h a n n e l sw e r e c o n t r o l l e d s y n c h r o n o u s l y t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mw a st e s t e d u s i n g k s f e ( c n ) 6 la s am o d e ls a m p l ew i t hc h e m i l m m i n e s c e n c ed e t e c t i o n b y t h e l u m i n o l - k 3 f e ( c n ) 6 - h 2 0 2r e a c t i o n t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t e sw i t ht h ed e v i c e k 3 【f e ( c n ) 6 】c a l lb ed e t e c t e da tac o n c e n t r a t i o no f8 1 0 1 m o l la n dw i t ha r s do f 0 9 ( 4 1 0 一m o l l ，n = 7 ) ，al i n e a rc a l i b r a t i o nw a so b t a i n e df r o m6 x 1 0 6 t o6 x 1 0 5 m o l l t h el i n e a rr e g r e s s i o nc o e f f i c i e n tr 2i s0 9 9 9 0 d u et ot h ep n e u m a t i cm i c r o p u m p so ng l a s s p d m sm i c r o f l u i d i c c h i pt h e d i f f i c u l t yo fp r o c e s sa n dc o s to fs t u f f w e r er e d u c e d ，a n di t sr i g i d i t yi n t e n s i o n w a sg r e a t l ye 惑a n c e da tt h es a n t et i m e f u r t h e r m o r e ，t h es u c c e s s f u lh a n d l i n go f n m l t i p l ec h a n n e l sm a d e t h es t a b i l i t ya n di n t e g r a t i o no f t h em i c r o c h i pi m p r o v e d 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 9 0 年代初，m a n z 等“”首次提出了“微型全化学分析系统( b l i n ia t u r i z e d t o t a lc h e m i c a la n a l y s i ss y s t e m ，盯a s ) ”的概念，其核心是将化学分析过程 中的各种功能及步骤微型化，包括泵、阀、流动管道、混合反应器、相分离、检 测器、电子控制及转换点等等。g t a s 期望将化学分析过程微缩于个只有几平 方厘米的微小器件上，由于这种特征，本领域的一个更为通俗的名称“芯片实验 室”( 1 a b o n a c h i p ，l o c ) 己日益广泛的被接受。 在过去短短的十多年里，有关, u t a s 的研究取得了喜人的成果：签片的材料 已从硅片发展到玻璃、石英、有机聚合物等”1 ；在传统的光刻和蚀刻基础上发展 了模塑法、热压法、激光烧蚀法、l i g a 技术和软光刻等新的加工技术”1 ；某些大 型设备己成功地微型化( 例如自由流动电泳) “1 ；芯片一卜的检测技术由光学检测、 电化学检测发展到与质谱等仪器的联用”1 ；而对于单个组件，诸如泵、阀和过滤 器等的微型化也取得了许多进展”1 ；此外，新的应用领域的出现使有关p t a s 的研 究领域更趋多元化，已广泛应用于生物技术、生化分析、和临床检验及诊断等”_ 。 依据微芯片结构及工作机理的不同, t a s 可分为两类：微流控芯片； ( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) ；微阵列芯片( m i c r o a r r a yc h i p s ) 。其中微流控芯片是 p - t a s 当前最活跃的领域和发展前沿，其核心是对微流体的控制，通过各种微流 体的驱动和控制技术来实现分离分析过程中的各种需求。因此，液体的微量传输 与控制技术是微流控分系统研究领域的一个具有挑战性的关键问题，研究与微尺 度相适应，性能可靠、低成本的驱动方式对于实现g t a s 的最终目标“即分析实 验室的“个人化”、“家用化”有着非常重大的意义。 1 2 微流体驱动系统的分类 微机电加工技术( m e m s ) 的进步极大地促进了分析仪器微型化的发展，使其 成为2 1 世纪分析化学和分析仪器研究的一个重要方向。与分析仪器微型化相关 的许多领域都涉及到微流体的驱动问题，例如微型流动注射分析系统 ( m i c r o f i a ) 、微柱液相色谱系统( m i c r o l c ) 、电色谱柱( e c ) 冲洗过程以及 其他领域中的临床药物的微量输送和微型机器人的动力传输等。液体的微流量传 浙江大学硕十学位论文 输与控制技术是实现分析仪器微型化迫切需要解决的问题“。此钋，由于近几年 来生物芯片技术的进步和“l a b o n c h i p ”概念的提出，微量流体的自动、精确 驱动和控制越来越引起人们的重视“2 。1 。微流体驱动是微流控技术的基础，是微 全分析系统的关键技术，与其他微流体控制技术相比具有相对的独立性，已自成 体系。目前，有关的研究很活跃，各种基于不同致动与驱动原理的新方法层出不 穷。 图1 1微流体驱动系统分类表 依据不同的要素，微流体的驱动系统可有多种分类方式：依据驱动系统有无 活动部件，分为有活动机械部件和无活动机械驱动部件的微驱动系统( 泵) ，简 称机械和非机械驱动系统( 微泵) ；依据微泵中流体的控制部件的组成不同，可 分为有阀和无阀微泵；依据微驱动系统所用驱动( 致动) 动力的不同，可分为电 渗动力、电磁动力、重力( 流体静压力) 、气动动力，热气动动力、表面张力、 离心力、压电动力等。微流控分析系统中各种常见的微流体驱动系统的分类表如 图1 1 所示“。以下将对部分主要的微流体驱动方式的原理及其特点进行简单的 浙江大学硕士学位论文 综述。 利用电渗流作用驱动流体在微管道中流动，是一类较成熟的方法，在微流体 系统，特别是在生物和电泳芯片系统中，得到了广泛的应用，是目前最为成功的 微流体驱动和控制方法之一。电渗驱动利用电解质溶液在外加电场作用下的电渗 现象来驱动液体。由于表面电荷和分子扩散作用，电解质溶液与管道内壁处形成 双电层，双电层由紧密层和扩散层组成，紧密层靠近内壁，厚度只有l 2 个离 子，当沿着管道施加电场时，电场力使扩散层和紧密层相对移动，扩散层通过液 体粘性力带动液体一起移动形成了电渗流。影响电渗流的因素众多，包括通道表 面的组成、缓冲溶液的性质( 如浓度、p h 值、离予强度、黏度、介电常数) 等。 电渗驱动与控制方法简单，无可动部件，容易在微管道中应用。该法可通过 电压的切换实现阀的作用，所以被广泛应用在微生化分析领域，是目前较成熟和 有效的微流体驱动技术“。但电渗驱动与控制技术在应用过程中也存在一些问 题：首先，电渗流对管壁材料和被驱动流体的物理化学性质敏感，因此它只适应 于一定范围的流体和管壁材料“。其次，产生电渗流所需要的高压电源会带来安 全、功耗和所占空间大等问题，不利于系统的微型化，同时电渗流的实现要求流 体在管道中保持连续性，当管道中存在气泡时该驱动方法将不再有效；最后，尽 管电渗流适于驱动和控制狭窄管道( l 肛i s ) 驱动更宽管道中的流体，而这一能力在许多微流体应用 中是必要的。 与电渗流驱动方式相似，电流体动力微泵( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ，e h d ) ”7 。”j 也是利用电场和流体中电荷的相互作用来实现液流的驱动，它的基本原理是利用 电极上电化学反应释放出带电离子，以作用于该离子的库仑力作为驱动动力，或 利用电导率梯度与电势行波之问的相互作用提供驱动力。 电流体动力微泵的特点是：原理上直接以外加电场作为流体的驱动力，但实 际上是利用电泳力的作用拖动整个流体的流动，属丁无阀无活动部件类微泵；结 构简单，微加工工艺要求不高，价格较低；微泵流量与介质性质有关，一般流量 范围可达m l m i n 级，泵压为k p a 级，属于低压微泵。但此类微泵对流体的介电 性质要求较为苛刻，仅限制于具有很低电导率( 通常1 0 。1 2 l o 。6 s c m ) 的介电流 体“，难以用于常规的以水做溶剂的液流的驱动，应用局限性较大。 浙江大学硕士学位论文 以重力作为流体驱动力的方法，在常规的流动分析系统中早有应用。将重力 驱动应用于微系统中”，其特点是：泵的结构极其简单，没有活动机械部件，无 需专门的致动系统和能源系统，制作上不需或仅需简单的微加工技术；泵的操作 简单，调节泵速只需简单改变通道进口液面与出口液面间的液位差即可，且可调 范围较大，覆盖纳升至毫升的范围；液流无脉动现象；对流体性质要求不高，易 进行多通道驱动操作。但用重力作为驱动力驱动液流其局限性在于：由于泵压较 小，泵流量对通道内阻力的变化较为敏感，此外，液流性质的变化，如黏度度， 亦影响重力泵的流量：通道内一旦存在气泡会造成流速下降，当气泡大至隔断液 流时，通常出于表面张力的影响会造成停留；液流更换较为不便，等待泵前液流 流出需耗费较多时间。基于上述分析，这种驱动方式比较适合于固定液体的连续 输送。 目前，微流体驱动系统的另一个非常重要的组成部分微机械往复泵也得到了 迅速的发展。压电微泵”2 “、电磁微泵”、静电微泵”、气动微泵。“、热气动微 泵。、形状记忆合金微泵“以及无阀往复泵。8 ，2 ”等均属于微机械往复泵，虽然 不同往复泵的驱动力和使用的单向阀各不相同，但在基本组成和结构上它们却具 有共性。如图1 2 所示，通常往复泵的组成包括以下部分：一个具有出入通道的 微体积泵腔，两通道上分别设置两控制流向的单向阀，泵腔的部分内蹙由可往复 运动的泵膜( 可活动机械部件，通常为隔膜或活塞形状) 构成；致动器产生致动 力作用于泵膜，使其发生形变或位移，以驱动泵腔内的液体。其基本工作模式是 由致动力的循环往复变化，产生泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形 成单向连续流动的液流“。加工微泵时，制动器和单向阀即可分别加工而后组合， 也可集成化加工于一体，后者通常需采用m e m s 技术进行，其优点是有利于降低 微泵体积，提高芯片分析系统的集成化水平，是目前的发展方向。 漉体漉a 致动器 泵童 l 单向目泵腔 单向栩l 图12 微机械往复泵组成示意图 与其他类型的微泵相比，微机械往复泵具有以下特点 漉体漉出 浙江大学硕士学位论文 1 ) 往复式操作，输出液流流速有脉动，泵压较低； 2 ) 通常结构较为复杂，集成化加工难度较大，对微加工设备和技术要求高，造 价较高； 3 ) 必须与单项阀配合使用，方可完成完整的驱动功能；使用微阀通常会增大微 泵结构的复杂性和加工难度及造价； 4 ) 以机械部件的高频震动驱动流体，因此存在活动部件磨损和使用寿命的问题； 5 ) 对被输送液体要求不高，可驱动绝大多数种类的流体，如水溶液、有机溶剂、 生物试样( 包括血液、尿液等) 等； 6 ) 种类繁多。 在微流体机械驱动系统的研究中，微机械加工工艺往往决定着驱动和控制的 性能。目前，虽然基于日益纯熟的硅加工工艺的微机械泵的研制已取得了很大的 进展，但离进入市场还有很长的一段路要走。一方面，这种工艺制作的微机械泵 所能提供的压力非常有限，很难用于实际流体的驱动，此外，这种微机械泵中包 含的微型可动部件的制作工艺复杂，价格昂贵；另一方面，微阀的性能不令人满 意，存在被压低、泄漏和死体积大等诸多问题。虽然随着技术的不断发展，这些 问题都将逐步得到解决，但与其他的微流体驱动和控制方式相比，仍处于竞争的 劣势。因此，有关加工成本低、性能可靠的新型微泵的研制这部分工作显得格外 有意义。 1 3p 删s 材料气动微泵的研究报道 1 3 1 传统气动微泵 气动( p n e u m a t i c ) 微泵是机械微泵的一种。其主要组成部分是气动致动器，图 1 3 为- - ；f 0 0 典型的气动微致动器结构【3 0 】。它利用气体压力为微活动部件提供致动 力，进而有效的完成对微通道内液流的控制。通常，气体压力由外置气源提供， 如气体钢瓶或空气压缩机，且需要配合使用电磁气阀控制气压的变化。气动致动 器的特点是：活动部件的位移行程和所产生压力均有较宽的变化范围，微泵的响 应速度受外置气路的影响通常较慢。微泵微阀的体积可微缩集成化，但外置附属 设备体积大，整体的微型化尚不易实现。 浙江大学硕士学位论文 阀 翁尼 图1 3 气动致动器结构示意图 s c h w e s i n g e r 等3 1 1 利用硅微加工技术研制了种蠕动型气动微泵。如图1 4 所示，微泵由刻蚀有泵腔和液流通道的两层硅基片及位于中间的p t f e 薄膜构成， 可以传输高粘度、高表面张力的液体及含有颗粒的液体。在对气体工作压力和气 路切换频率进行优化的前提f ，蜂蜜和芥末等液体传输流量可达0 6 m l m i n 。但 这种微泵存在着加丁程序复杂，芯片不易封合等缺陷。 图1 4 气动蠕动微泵结构示意图 1 3 2p d m s 材料气动微泵 对于微机械驱动系统的加工，硅和玻璃材料以其纯熟的加工工艺而占有很大 优势，但如果将该系统用于生化分析，它们并不一定是最优的选择。首先，这两 种材料较高的硬度给活动部件的加工带来了一定的难度；其次，许多生物医药分 析对通道表面的化学性质要求非常严格，一般均要在较低的温度下进行，与此相 反，硅和玻璃通常必须在高温下才能完成键合，这就大大限制了它们的应用领域 。“。与单晶硅相比，用弹性材料聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 等加工的微泵和微阀具 有以下明显的优势“”3 ： 1 ) 杨氏模量低，用其加工制作的微阀的形变区域和死体积均很小，同时由于阀 浙江大学硕士学位论文 膜的震软性，使其可对流韵通道进行完全的封闭，忿夕 通道的封 i l 稷度与施 加的压力成线性关系，即使在流体内存在不溶设粒子，或通道内被聪较大时， 微阀仍可正常工作； 2 ) 易于与穗，玻璃等材料紧密封台，铡 乍复合式芯片。在这静芯片上w 以集成 各静穗魄子元传，光源，以及硷溺器 孛，鬟蕊了蓉统的集藏褒，参“大了应蠲 范围： 3 ) 弹性材料的加工对环境的蘩求不高，不需在超净实验室进行，批鬣生产成本 低； 4 ) 徐揍低，攀羯鹣聚合物毒季瓣p d m s 毙单鑫建馕寰远绪，这为诲多辩疆工 筝 者从枣该方向的研究给予了嗷引力。 基于卜述众多优势，p d m s 材料已广泛应用微流控分析系统中微流体的驱动 和控制。2 0 0 0 年，u n g e r 等人”报道了一哥中采用多层软光刻技术制作的新结构气 动致动p d m s 徽阑，翔鹭i 。5 | 舞示，薅多令擞蠲缝台越来，以气动动力为毁动力， 即可形成蠕渤型微泵。加工徽泵、阀时，基本构黧采蘑三层结梅( 瓤丽1 6 ) ， 上层为带微通道芯片，通道被用作进行流体控制( 擦制通道) ；中层为聚合物薄膜， 作为阀臌溅泵膜使用，通常厚度为3 0 1 a m ：下层为带微通道芯片，其通道被用作 流体流动通道( 滚动通道) 。典勰的通道宽疫为1 0 0 9 m ，深度1 0 9 m 。u n g e r 等 z 4 1 燕工p d m s 芯片采矮蕊是r t v 6 1 5 墅硅橡胶，逶避鑫行谲节毽橡荻攀髂与交联 剂的配比控制固化后p d m s 芯片的弹性强度( 通常为1 0 ：1 ) 。卜层通道采用软光刻 技术加工制作。中层薄膜与下层芯片均采用离心涂滕的方式，在模具上涂覆一层 r t v l 6 5 的混合物，在2 0 0 0 r p m 的角速度下旋转3 0 s ，得到约4 0 1 a m 艨的p d m s 薄瑟。每爨鹭在8 0 c t 3 l l 热l 。鞭菠之霾纯。芯劈鹭会跨，上下逶_ i 蕊鏊交叉橡 型放置，遇道交叉点所对应的可发生形交活动的p d m s 薄膜与隔离的t 下通道 构成了每个气动微阀的最主要部件。 鞫1 5 蠕动型气动p d m s 微泵的最微照片 7 浙江大学硕士学位论文 ( 秘 图1 6 多层软光刻技术加工气动微n ( 裂) 过程示意图 ( a ) 微加t 流程阁：( b ) 阀膜对矩形通道( 左) 和弧型通道( 右) 的封闭情况，虚线表示施加不 同效劫压力时惩膜的镑鼹 与传统盼气动致动微枫械浆相眈，u n g e r 等l 报道的微泵在结校、加工的难 度和集成化水平等方面均有突 _ 5 的优势，主要表现为：微泵为简单的片层结构； 加工难度低，容易实现集成化加工；芯片上的微泵系统体积微小，能撮禽芯片的 集成化密度。此外，徽泵最大裂流量可达2 3 5n l s ，但滚漉流速存在脉动；除液 俸癸，还爵蕊韵气薄，毽因镦袋耱质为硅橡蔽，因藏不麓驱动对硅橡胶嘏懑静有 机溶剂，如丙酮、氯仿等。目前，这种加工技术已经商品化，图1 7 为美国f l u i d i g m 公司提供的采用多层软光刻技术在p d m s 材料上加t 的各种微组件”。 图t 7 集成番种器件的微流控芯片结构煳 2 0 0 3 年，s t u d e r 等跚瑁多层软光亥i 技术裁佟了一耱低致动力豹开关阉。国 1 8 是s t u d e r 所提到的两种微阀的结构示意图。如图1 8 a 所示，巾间一层p d m s 阀膜厚度从边缘到通道中间各不相同，在上层控制邋所提供的工作气体聪力的作 8 浙江大学硕士学位论文 用下，阀膜通过向下的形变来截断液流，称为下压阀。这种几何构型的微结构要 求液流通道具有较高的深宽比，以便更好的截断液流。图b 为在外力的作用下薄 膜通过向上的形变截断液流，称为上推阀。这种结构中薄膜层的厚度均一，加工 起来比较容易，同时也弱化了截断压力受液流通道深度的影响。实验从致动力和 流体阻力的影响因素等方面考察了微阀的性能，并与数字模拟的结果进行了比 较，一致性较好。将多个这种微阀组合起来即可实现微流控芯片上微泵和微混合 器等组件的集成。 a ) f 压阀 图1 8 气动微阀结构示意图 ( 上层和中层的芯片材料均为p d m s ) b ) 上推阀 最近，g o u l p e a u 等”也在p d m s 材料上利用多层软光刻技术研制了一种由三 个相同微阀平行排列组成的蠕动型微泵。荦个微阀的简单结构如图1 9 所示，这 种阀截断液流的方式为下压式，控制通道在液流通道的上方，在控制通道所提供 外力的作用下阀膜通过向下的形变截断液流。与上推式的致动模式相比，下压式 能产牛较大的弹性致动力，更有利于微通道中的液流的控制。由i a b v i e w 控制的 高频l e e 电磁阀与控制通道相连，控制致动力( 气压或其他压力) 的通、断，进 而决定着微阀的开启和截止。当用气压作为制动力时，町在气路通道中注入适量 去离子水，以免气体透过p d m s 薄膜渗入液路通道。 9 浙江大学硕士学位论文 s u l 潞t r a t e_ w a t e r 图1 9 微阀的结构示意图 p r o f i r e s s i v ce y e l e r _ _ _ _ _ - - _ _ _ o 8 1 e p l ；辩漭兰 s t e p2 s t e p3 s t e p 4 s t e p 5 s t e p6 图1 1 0 微泵的蠕动循环过程图 灰色：阀截止：白色：阀打开；箭头：待测液体的流入和流出 将三个微阀( 如图1 9 ) 并排在起，进行图1 1 0 所示的蠕动循环，就构 成了蠕动型微泵。文章通过实验考察了蠕动频率、微泵的设计参数、致动压力以 及流体的粘度对微泵流速的影响，并将其结果与对微阀所进行的数字模拟的结果 进行比较，在定量和定性方面均取得较好的一致性。在对影响微泵性能的各种参 数的优化条件下，微泵的最大流速可达7 5 “l m i i 1 。 2 0 0 4 年，w a n g 等报道了一种集成气动微阀和微泵的生物传感器诊断芯片。 整个系统( 如图1 儿所示) 由微渗断芯片、控制电路平台、压缩气源和电磁阀 几部分组成。芯片采用三层结构，位于上层的用于气路控制的芯片和中层的弹性 薄膜材料均为p d m s ，下层刻蚀有液流通道的芯片材料为玻璃。 一一一一一 浙江大学硕士学位论文 图1 1 1自动控制系统结构图 图1 1 2 蜘蛛网型蠕动气动微泵结构图 与传统的“直线”型气动微泵不同，文中。“报道的微泵为“蜘蛛网”型 ( 如图1 1 2 所示) 。这种构型的气动微泵具有试样消耗量小，可为多通道传 输流体提供稳定的流速等优点。其工作原理也是通过控制电路控制电磁阀的 切换，使p d m s 薄膜在气体压力作用下发生形变从而起到阀和泵的作用。在，t 路切换频率为1 5 h z ，气体工作压力为1 5 0 k p a 时，微泵流速可达8 4 l m i n 。 图1 1 3 描述了该蠕动型气动微泵的循环工作过程。在集成该微泵的复合芯片 系统上作者成功的实现了e c v 和梅毒抗原的免疫测定。 浙江大学硕士学位论文 i 棚髓 0 u t ! d 图l ，1 3 蜘蛛网型蠕动型气动微泵的循环工作过程 国内关于该方面的研究也有报道，万山红”7 1 以合成橡胶材料r t v 6 1 5 为原 料，通过多层软刻蚀技术没计并制做了微型旋转式流体泵，系统的结构和功能如 图1 1 4 所示。实验中利用两种荧光燃料溶液考察了体系的混合情况：由于低层 流和缓慢扩散，两股液流在进入t 型交叉点时只能平行流动，并不能混合。在液 流进入中心环形区域后，阀的输入和输出都关闭，旋转泵开启，当开关以3 0 h z 的频率切换时，6 个气路通道依次打开和关闭，3 0 s 后两液体即可发生均匀混合。 图l1 4 微型旋转式流体泵结构功能图 1 4 化学发光检测技术在微流控分析中的应用 由于微全分析系统所消耗样品量少，所以高灵敏度的检测方法成为这一领域 的研究热点。化学发光和荧光法的高灵敏度已是公认的事实，目前，激光诱导荧 光法是最常用的芯片检测方法之一，但是它所需要的外加光源和分光系统，导 1 2 鞭汪大学硕士掌馥诡文 致光学系统相对复杂，体积较大，难以集成。化学发光( c h e m i u m i n e s c e n c e ) 是在一种特殊的化学反应中，基态分子吸收反应中释放的化学能跃迁至激发态， 处在激发态的分子以光辐射的形式返回基态丽产生的发光现象，化学发光检测即 逶遥溅定讫学发光戆巍袭来溅定竣溺耱豹含鏊。 化学发光检测方法的优势主要体现在以下几个方面： 1 ) 检测系统不需要任何光源，消除了光源不稳定和杂散光所带来的影响，同时 也不存在背景光的干扰； 2 ) 其蠢缎毫秘检测灵敏淡，一般在n g m l p g m l 数量级。对予一整无租枣子铡 宠下线可达受1 0 2 9 m l ，比光度分析法离3 4 个数量缀； 3 ) 检测线性范围宽，反威的发光强度与待测物的浓度可在4 5 个数量级范围内 成线性关系； 4 ) 所使阁的检测装置比较简单，无复杂的光路系统，在系统微型化方露具有独 耱熬优势。 此外c l 的另一个优点就怒所谓“化学谱带炎窄”效应，这是由于化学反应的动 力学速度很快，在样品还未来得及充分扩散测本体溶液前就已产生化学发光信 号，它逑会于在线快速检测，记录信号峰尖锐，不会造成明显的隧带展宽。 2 0 0 0 年，x u 等“”挎亿学发光捻溅震予浚葫连麓镩系静徽鸯l ： 混合反应器 豹芯片系统，鼋鲁米诺过氧化氢纯学发光试裁，测定了永溶液中的c r ( i i i ) 酌 含量。他们采用的微反应芯片及化学发光检测装置结构如图1 1 5 所示，在5m m x1 0l n n l 的芯片上，通道总长6c m ，宽1 6 0 m ，深5 8p m ，通道内部体积约 0 5 3pl 。管路长6c m ，发光捡澳区域的长度为2 m m ，发光信号用光电倍增管矗接 捡溅，羧浏c r ( i i i ) 酶线圣生菠嚣为1 0 一1 0 一m o l l ，藿密蔽为1 0 m o l l 。 a 浙江大学硕士学位论文 b 泵l 废液 暗盒 记录仪 图1 1 5 微混合反应化学发光芯片 a 芯片结构示意图；b 检测装置示意图 s ；i m 沁 9 ) l t o h ? s “ 鲰+ r 1 1 0 dle ；( 图1 1 6 化学发光微流控芯片结构示意图 聂舟等“自行组装了一套微流控芯片化学发光检测体系，其体积仅为2 0 c m 1 2 c m x l 5 c m ，重量为1 5 k g 。芯片( 结构如图1 1 6 ) 上集成的通道顶宽5 0 um ， 高为2 0um ，截面近似半圆形，分离通道长7 5 n u n 。实验中探讨了分离电压对电泳 芯片图谱的影响，发现在选定实验条件下，用鲁米诺一过氧化氢体系对c o ”检测 限可达2 0 1 0 一m o l l ，而且重现性较好。在分离电压为l k v 时，低浓度的c o ”， c u ”在l o o s 内可达到基线分离。 l i u 等“2 1 在用p d m s 材料制作的毛细管电泳芯片上进行了金属离子催化鲁米 诺一过氧化氢化学发光体系研究。他们从信号的灵敏度、重现性以及峰的对称性 浙江大学硕士学位论文 几个方面，对进行该反应的芯片通道构型进行分析。如图1 1 7 所示，结构a 直 接将发光试剂注入b w r 中，为末端检测；而b 是将发光试剂注入c r r ，用电渗驱 动，使试剂与试样混合，属于在线检测。实验结果表明b 比a 构型的芯片灵敏度 要高出2 0 多倍，而且信号重现性好，峰形对称。利用b 构型芯片他们在1 分钟 内成功的实现了c r ( i l i ) ，c o ( 1 i ) ，c u ( i i ) 离予的分离，充分体现了m c e 与c l 相 结合的快速和高灵敏度的优势。 a 融 冁 确 淑h 埔 掣 ：l # 蝌歉 b w 骁 图1 1 7 毛细管电泳一化学发光微流控芯片通道结构示意图 a 柱端检测：b 在线检测 2 0 0 3 年，林金明等“3 丰艮据流动注射一化学发光的通用实验装置图没计并制 作了玻璃微芯片，并在该芯片上将毛细管电泳分离与化学发光检测相联用，鲁米 诺和过氧化氢化学发光试剂通过实验室自制的微流泵传输。芯片的结构如图 1 1 8 所示，待测样品经电渗流驱动电泳分离后，到达反应检测池，与由微流泵 驱动的鲁米诺和过氧化氢混合溶液汇合，发生化学发光反应。实验对所用电压， 缓冲溶液和发光试剂流速等条件进行了优化，在最佳条件下成功地实现了金属离 子c u ”，c 。”，n i = ! _ 的电泳分离一化学发光检测，检测限分别为5 0 1 0 1 m o l l ，5 0 1 0 1 1m o l l ，1 0 1 07 m o l l 。2 0 0 4 年，他们“4 1 又在图1 1 9 所示的芯片结构上 用t c p oh 。0 。化学发光体系成功的完成了氨基酸的分离和测定，该系统采用自制 微泵驱动发光试剂，使得一些仅在非水介质中才能进行的化学发光反应能够顺利 在微芯片上实现，拓展了化学发光检测的应用范围。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 8 芯片上微通道结构图 图1 1 9c e c l 芯片结构图 6 浙江大学硕士学位论文 x u 等“”研制了一种三层的p d m s 一玻璃复合芯片，并用它成功的实现了葡萄 糖的化学发光检测。芯片结构如图1 2 0 所示，下层为刻蚀有交叉排列的“人” 字形结构混合通道的玻璃基片；中间一层为p d m s 薄膜，薄膜厚度决定通道的深 度；上层为固定有葡萄糖氧化酶的p d m s 基片。封合时，将上述三层基片紧密贴 合后夹紧在两块p m m a 之间，并用螺丝固定。试验中采用顺序注射和重力两种驱 动方式分别实现了试样和试剂的引入，对0 2 n u n o l 的葡萄糖检测的相对标准偏差 为3 1 ( n = 7 ) ，检测限为l o um ( 3o ) ，分析速度快，达2 0 样h 。 图1 2 0 三层p d m s 玻璃复合芯片结构 将化学发光与免疫分析相结合的化学发光免疫分析法同时具有化学发光的 高灵敏度和免疫分析法的高选择性的双熏优点。t s u k a g o s h i 等“。在微流控：出片上 用化学发光检测技术准确并可靠的完成了h a s 和i a p 的竞争性免疫测定。如图 1 2 1 所示，芯片结构为“l ”字形。实验过程包括三步：首先在储液槽r 1 中将 抗体包被在玻璃珠上，并向其中注入待测抗原和已知量的发光试剂标记的抗原， 使它们进行竞争性免疫反应；在免疫反应完成后，在电场作用下将试样带引入到 加有氧化剂的储液槽r 4 中；最后，标记抗原与氧化剂以及缓冲液中的催化剂发 生化学反应，通过测量发光强度对待测抗原进行定量。文献“”利用该系统对人体 血清中h a s 和i a p 测定的线性范围为1 0 1 0 5 0 x1 0m o l l ，检测限达1 0 浙江大学硕士学位论文 x1 0 1 ( s n = 3 ) ，在两分钟即可完成一个样品的测定，分析速度快，灵敏度和重 现性高。 图1 2 1 集成化学发光免疫分析的微流控芯片结构图 除了普通的化学发光检测以外，有关微流控芯片j ：的电致化学发光测定方面 的研究也十分活跃。 a r o r a 等“7 1 首次将电致化学发光检测器集成在一块5 c m x2 c m 的电泳臣片上。 如图1 2 2 所示，他们将u 型悬浮铂电极( 电极宽5 0um ，电极间距5 0 “m ) 置于 分离通道上，靠电泳分离时通道内的电场在u 型电极两端产生电化学反应所需的 电位，u 型电极的两臂分别作为电化学反应的工作电极和对电极，在柱发生电化 学反应，实现电致化学发光测定。利用该芯片结构，实验采用胶束电动色谱模式 分离了r u ( b p y ) 和r u ( p h e n ) ，并以氨基酸为样品初步证实了电泳芯片上电致化学 发光间接测定的可行性。 图t 2 2 带u 型悬浮铂电极的电致化学发光检测电泳微芯片 1 试样溶液；2 缓冲液：3 废液；4 废液：5 双t 型通道进样器；6 分离通道 7 u 形悬浮铂电极；2 到4 间的距离为6 1 c m ；5 到7 间的距离为25 c m 浙江大学硕士学位论文 黄晓晶等“”采用自行设计的h 形通道微流控芯片( 结构如图1 2 3 ) ，对流动 注射一毛细管电泳连续分离的样品进行电致化学发光测定。实验在对影响电致化 学发光强度的毛细管、电极和光纤之间的相对位置进行优化的基础上，成功的实 现了脯氨酸的检测，最低检测浓度为1 2 1 1m o l l 。应用该芯片，通过流动注射 的连续样品引入过程，可以达到每小时5 0 个样品的高分析速度。 、 笄p 弋￥ 图1 2 3f i a e c l 微流控芯片结构示意蚓 a 落滴式进样接口；b e c l 反应和检测池；c 分离毛细管；d 芯片；e p t 电极 r e a g a g c l 参比电极；c e 对电极；w e p l 工作电极；g 环氧树脂胶；o f 光纤； re c l 反光试剂；w 废液 目前，有关微芯片上化学发光检测系统的研究有很高的增长势头。从上述研 究成果中我们可以看到，化学发光体系的驱动手段多以电渗流和流体动力驱动 ( 包括外加注射泵或重力) 为主，驱动系统多需附加体积较大的外部设备，不易 于实现芯片的集成化和微型化。因此，如果能采用集成在芯片上的微泵来引入试 样，便可大大减少试样和试剂的消耗，简化仪器的结构，充分体现微流控分析系 统的优势。 1 9 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 m a n za ，g r a b e rn ，w i d m e rh m ，m i n i a t u r i z e dt o t a lc h e m i c a la n a l y s i s s y s t e m s ：an o v e lc o n c e p tf o rc h e m i c a ls e n s i n g ，s e n s a c t u a t o rb ，t 9 9 0 ，1 ： 2 4 4 2 4 8 【2 】h a r r i s o nd j ，m a n za ，f a nz ，l u e d ih ，w i d m e rh m ，c a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i sa n ds a m p l ei n j e c t i o ns y s t e m si n t e g r a t e do nap l a n a rg l a s sc h i p ， a n a l c h e m ，1 9 9 2 ，6 4 ：1 9 2 6 1 9 3 2 3 3q i nd ，x i ay ，r o g e r sj a ，j a c k m a nr j ，z h a ox m ，w h i t e s i d e sgm ， m i c r o s y s t e mt e c h n o l o g y 加c h e m i s t r ya n dl i f es c i e n c e s ，e d s ，m a n za ，b e c k e r h ，b e r l i n ，19 9 9 4 b e c k e rh ，g a r t n e rc ，p o l y m e rm i c r o f a b r i c a t i o nm e t h o d sf o rm i c r o f l u d i c a n a l y t i c a l a p p l i c a t i o n s ，e l e c t r o p h o r e s i s ，2 0 0 0 ，2 1 ：1 2 2 6 5 】r e m o n dd e ，m a n za ，w i d m e rhm ，c o n t i n u