（分析化学专业论文）玻璃pdms复合微流控芯片上气动微泵的研制及性能研究.pdf

秆仁土学磺士学位锫文 摘要 微流控芯片分析系统( 皿s ) 操作的核心是对微流体的控制，而研究与微 通道相适应的微流体驱动技术( 微泵) 是实现微流体控制的前提和基础。目前， 基于不同驱动原理的微泵在微流控分析领域得到了很大的发展，已自成体系。 本文在对近几年来i _ t t a s 领域有关微泵的研究报道进行综述的基础上，研 究制备了一种用于微流控芯片的改进型玻璃- - p d m s 气动致动微阀，并对气 动微阀的性能进行了考察。 在此基础上，进一步将多个气动微阀平行排列集成在一个复合芯片上， 构成玻璃- - p d i s 复合芯片上的蠕动型气动微泵。同时，采用v i s u a lb a s i c 程序 语言编制并行接口控制程序，经自行设计的放大电路作用后驱动两位三通电 磁阀，实现对气动微泵各气路间的切换的控制。 研究结果表明，采用a z 4 6 2 0 玻璃阳模制各的微阀微泵芯片操作稳定性 高；采用复合芯片结构的微阀微泵芯片，既降低了芯片加工难度和成本，其 整体刚性强度又得到大大提高，并增强了芯片与外气路和外流路连接的可靠 性。气动微泵可以给出的最大泵流量为1 6i x l m i n ，最大泵压为1 5 5 c m h 2 0 ， 泵流量和泵压取决于气路切换频率、液流通道宽度、工作气体压力以及p d m s 泵膜的厚度。 玻璃一p d m s 复合气动微阀结构的改进以及气动微泵的研制，为气动微 阀微泵的实际应用，如构造微流控芯片上的流动注射分析系统等创造了条件。 晰扛土学嘎士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i q u ef o rm i e r o f l u i d i ch a n d l i n gi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fg t a s ， a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h em i c r o p u m p st h a ta d j u s tm i c r o s c a l ec h a n n e li st h eb a s i s o fa c h i e v i n gm i c r o f l u i d i ch a n d l i n g c u r r e n t l y , d i f f e r e n tt y p e so fm i c r o p u m p sw e r e d e v e l o p e d 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 fm i c m p u m p si n 叩_ a sf o rt h e s e y e a r s ，t h i st h e s i sb 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 no f m o d i f i e dp n e u m a t i cm i c r o v a l v e so nm i c r o f l u i d i cc h i p su s i n gg l a s s p d m sb o n d i n g t e c h n i q u e a n dt h e nw es t u d i e do nt h ef a c t o r st h a tm a yi n f l u e n c et h ec a p a b i l i t yo f m i c r o v a l v e s n e x t ，i tw a s f u r t h e rt oi n t e g r a t e ds e v e r a lp n e u m a t i cv a l v e si n t oo n ec o m p o u n d c h i pt of a b r i c a t eap e r i s t a l t i cm i c r o p u m p a n dav i s u a lb a s i cp a r a l l e lp o r tc o n t r o l p r o g r a mw a su s e dt od r i v ee l e c t r o m a g n e t i c a lv a l v e st h r o u g ha na m p l i f y i n gc i r c u i t t h u s ，t h es w i t c ho f g a sc h a n n e l si np n e u m a t i cm i c r o p u m pc a nb ec o n t r o l l e d t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a tt h eo p e r a t i n gr e l i a b i l i t yo ft h em i c r o p u m p s a n dm i c r o v a l v e sh a sb e e ni m p r o v e db yu s i n gt h ea z4 6 2 0p h o t o r e s i s tt om a k et h e m o l d so ff l u i dc h a n n e l d u et ot h ep n e u m a t i cm i c r o v a l v e sa n dm i c r o p u m p sw i t h c o m p o u n dm i c r o c h i pd e v i c e ，t h ed i f f i c u l t yo fc h i pp r o c e s s e da n dc o s to fs t u f fw a s r 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 nw a sg r e a t l ye n h a n c e da tt h es a l n et i m e b e s i d e s ， t h ec r e d i b i l i t yo fc o n n e c t i o nb e t w e e nm i c m c h i pa n de x t e r n a lc o n n e c t e dc h a n n e l s w a si n c r e a s e d t h eo u t p mp r e s s u r eo ft h ep e r i s t a l t i cp n e u m a t i c m i c r o p u m pi su pt o 1 5 5 c m i - 1 2 0 ，a n dt h eo u t p u tf l o wm t ei su p t o1 6 “l m i n t h eo u t p u tp r e s s u r ea n d f l o wr a t eo ft h em i c r o p u m pw e r ei n f l u e n c e db yw o r k i n gf r e q u e n c y , w i d t ho ft h e f l u i dc h a n n e l ，m a n i f o l dp r e s s u r ea n dt h i c k n e s so f t h ep d m sm e m b r a n e t h em o d i f i c a t i o n o fp n e u m a t i cm i c r o v a l v e sa n dt h em a n u f a c t u r eo f p 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 e r o f l u i d i cc h i p sc r e a t e dt h ec o n d i t i o n f o r a p p l i c a t i o n o ft h ep n e u m a t i cm i c r o v a l v e sa n dm i c r o p u m p s ，s u c ha st h e c o n s t r u c t i o no f t h ef l o wi i l j e c t i o na n a l y t i c a ls y s t e m0 1 1m i c r o f l u i d i cc h i p ，e c - i v - 晰汪土学碛士学挂论文 第一章绪论 1 1 微流控分析系统( 灯a s ) 简介 当今的科技发展迅速，可以说是日新月异，分析化学作为研究物质组成 与结构的科学，现代科学技术的眼睛化学、生命、信息、材料、环境等各类 科学研究更是对它提出了更高的要求。其中之一就是要求分析测试过程达到快速 化和自动化、分析仪器设备实现微型化和廉价化。为此，瑞士化学家m a n z 和 w i d m e r t l 】在1 9 9 0 年首次提出了“微型全化学分析系统( m m i a t u r m e dt o t a lc h e m i c a l a n a l y s i ss y s t e m ，i r _ t a s ) ”的概念。目的是通过化学分析设备的微缩，最大限度 地把采样、稀释、加试剂、混合、反应、分离、检测分析等实验室的功能转移到 便携的分析设备中，甚至集成到平方厘米级的芯片上，因此目前也被人们称之为 芯片上的实验室f 2 , 3 1 ( l a b o n - c h i p ) 。 此a s 不仅仅只是带来分析设备尺寸上的变化，在分析性能上也带来了诸多 优点，表现在： ( 1 ) 分析的高效率，许多微流控芯片可以在数秒到数十秒的时间内自动完成 测定、分离及其它复杂操作。分析及分离的速度高于相对应的宏观方法一至二个 数量级。 ( 2 ) 分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，随着技术的提高有可能会 进一步减少。 ( 3 ) 分析部件易集成，并可在此基础上制成功能齐全的便携式仪器。 ( 4 ) 加工芯片的原材料消耗少，成本低。 g t a s 是一个高度学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技术的发展 4 1 ，又 始终以微加工技术为依托网，同时还需要应用对象( 以生命科学为主) 的发展与融 入【6 。除此以外，材料、电子、流体力学、光学仪器、计算机等科学领域的发 展与介入也是们a s 取得不断进展的必要条件。 晰恤土学嚏士学位格文 1 2 灯a s 系统中微泵的工作原理及应用 1 2 1 微流体驱动系统分类 微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对 通道内流体的操控，完成芯片系统的分离分析功能。u t a s 操作的核心是对微流 体的控制，而研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和 基础，没有液体的流动，也就没有流体的控制问题。与其他微流体控制技术相比， 微流体驱动具有相对的独立性，已自成体系。 微流体驱动系统的分类方式依据不同的要素有许多种【8 】。依据驱动系统有无 活动的机械部件，可分为机械和非机械驱动系统( 泵) 。 对于机械微泵( 机械微流体驱动系统) ，按微泵中机械驱动部件的运动方式不 同，可分为单向长行程式、往复式、转动式微泵等。目前，在微分析系统中以往 复式微泵最为常见。往复式微泵，其组成包括以下部分：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，泵腔的内壁由往复运动的泵 膜组成，如图1 1 所示。致动器产生的致动力作用于泵膜，使其发生形变或位移， 以驱动泵腔内的流体。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。因此往复式微 泵属于有阀微泵。 微机械往复泵 图1 1 微机械往复泵组成示意图 微机械往复泵通常按致动器类型的不同进行分类，包括压电微泵 9 - - 1 2 】、电磁 微泵l l o j 3 、静电微泵【1 扣垌、气动微泵【1 7 l 、热气动微泵 1 8 , 1 9 、形状记忆合金微泵 1 2 0 - 2 2 、电化学致动微泵 2 3 , 2 4 1 等。微机械往复泵中还有一类微泵采用特殊的利用流 钎讧太学睡士学位论文 体力学原理设计的控制阀，即所谓的“无阀”往复微泵口5 捌。此外，微流体机械 驱动系统还有两种不同于微机械往复泵的微泵，即离心力【2 7 0 司和剪切力口9 】驱动系 统。 对于非机械微流体驱动系统的分类，主要依据微驱动系统所用驱动动力的不 同进行，通常包括：电渗流体驱动系统 3 0 , 3 1 1 、电流体动力泵 3 2 , 3 3 1 、磁流体动力泵 3 4 , 3 射、重力驱动系统1 3 6 、热气动微泵p 7 1 、表面张力微泵网等。 1 2 2 微流体机械泵 1 压电微泵 压电微泵是在振动膜上设置有一压电片，通过压电材料的逆压电效应使振动 膜周期性振动，提供微泵工作的动力源，使泵腔压力周期性变化，从而引起液体 的流动。1 9 8 8 年v a nl i n t e l 等 9 1 发表的文献报道了一种基于传统压电泵结构，但 可实现集成化微加工的微泵，其结构如图1 2 所示。该泵的整体结构为玻璃与单 晶硅的多层结构，致动的压电部件为圆盘形，由一个薄玻璃片和一个商品化压电 晶片组成的双压电晶片元件构成。两个单向阀为悬臂梁型被动阀，阀的加工方法 采用阳极键合法实现单晶硅片与玻璃之间的封接。以一个操作单元为例，其具体 操作过程是：泵液时，施加电压于压电隔膜，使其产生向下方的形变，造成泵腔 内压升高，此时进口阀受泵腔内的压力而关闭，出口阀受泵腔内的压力而开启， 泵腔内液体经出口阀被泵出；吸液时，撤除施加电压，压电隔膜弹性回缩，泵腔 内压降低，此时进口阀受向泵腔内的噩力而开启，导致外液流经进口阀被吸入泵 腔，出口阀则因受向泵腔内的压力而关闭。循环改变施加电压，可使以上单元过 程循环进行，即产生隔膜的往复振动，可获得连续的液流。改变隔膜的振动频率 ( 致动频率) 可改变对液流的驱动速度和脉动特性。通常提高致动频率有利于提高 驱动流速，但驱动频率的提高受到微阀响应速度的限制。 舒江土学碱士学位论文 进口 出口 图1 2 压电( 圆盘) 致动微泵结构示意 鞫1 9 1 1 9 9 9 年，b o h m 等 1 0 1 用传统的方法制作了一个1 2 m m x l 2 m m x 2 m m 的微泵， 可以抽吸气体和液体，如图1 3 所示。该泵的振动膜片为1 0 0 i t m 厚1 0 m m x l o m m 的黄铜膜片，将直径1 0 m m 厚0 2 m m 的锆钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷片粘结在振动膜 片上，通过3 5 0 v p p 方波电压的作用，使振动膜片上下往复振动。由于振动膜片 的振幅较大，泵可以自启动。当驱动频率为5 0 h z 时，微泵的液体流量达到最大， 为2 1 m l m i n ，泵压最大可达1 2 5 c m 水柱。但是这一结构形式的微泵，需要手工 将p z t 压电陶瓷片粘结上去，不能进行批量生产。 2 电磁微泵 图1 3 压电驱动微泵结构示意图【1 0 】 b o h m 等【1 0 i n 时还用传统的方法制作了一个1 0 m m 1 0 m m 8 m m 的电磁微 泵，也同样可以抽吸气体和液体。该泵的振动膜片采用弹性较大的有机聚合物， 将永久磁铁粘结在振动膜片上，通过线圈与永久磁铁之间洛伦兹力的作用，使振 动膜片上下往复振动。由于振动膜片的振幅较大( 约为7 5 0l a i n ) ，泵可以自启动。 当驱动电流为1 0 0 m a ，驱动频率为5 0 h z 时，微泵的液体流量达到最大，为 2 i m l m i m 当驱动频率为4 0 0 h z 时，泵的气体流量达到最大为4 0 m l m i n 。但 是由于电磁致动器自身的体积较大，因此电磁微泵的最终体积会比压电微泵大。 4 澌缸三学硕士学位论文 图1 , 4 为电磁致动器的结构示意图。 久磁铁垫块 图1 4 电磁致动器结构示意图【。】 在国内，关于l a t a s 微致动泵的研究相对比较缺乏。白兰等1 3 1 最近报道了一 类p d m s 薄膜电磁微泵( 如图1 5 所示1 的加工及研究。设计制作的电磁微泵主要 由三部分组成：p d m s 构成的弹性泵膜，钕铁硼永磁薄块以及下部的平面线圈。 当在平面线圈中通入方波形式的交变电流时，该线圈会产生交变磁场，钕铁硼永 磁薄块形成的磁场与交变磁场相互作用，带动p d m s 薄膜往复运动，从而引起 泵腔体积的变化，进而控制微量流体的进出。泵膜每个运动周期微量流体进出的 多少可以通过感应强度b 和电流i 来控制。这一类电磁微泵驱动力大，制作工艺 简单，使用寿命长，生化兼容性好，在生物医学微流控系统中有非常好的应用前 景。 3 静电微泵 磁 场 方 向 p d 储薄膜 n d f e b 薄块 线圈 图1 5p d m s 薄膜电磁微泵结构示意图 图1 6 为z e n g e r l e 等【1 4 1 研制的一种典型的集成化静电微泵。其原理是利用一 个薄的电极泵膜与一个固定的对电极之间的静电作用产生驱动力。结构是一个四 层的片形层叠结构，隔膜电极与固定电极之间以绝缘层间隔。在操作上，分为两 步，交替循环进行。第一步吸液操作，两电极间距变短，并一直持续到吸液过程 结束；第二步输出操作，两电极间距变长。为达到所需的流量，需施加很高的电 ，t 晰江土学硕士学位话文 压，但所能达到的泵压依然相当低。该微泵实际的性能表现未能达到理论上预测 的水平。此外，在此类型微泵中所使用的驱动频率要远高于热气动致动微泵，所 以可给出流量更为平滑、脉动更小的输出液流。 厂对电极 厂间隔屡 厂泵膜 厂阀片1 厂阍片2 图1 6 静电致动微泵结构示意图【1 4 】 此外，j o r g ea c a r r e t e r o 等和m i rm a j i dt e y m o o d 等【1 q 相继报道了采用 三个静电致动器组合制得的蠕动型静电微泵。与其他机制相比，蠕动型微泵有其 优点，如高可控性和精确性。而静电致动则有装置体积小的优点，尤其是与压电 致动等相比。如m i rm a j i dt e y m o o r i 等 16 】设计的微泵，其泵流量是9 1i , t l m i n ， 体积是7 m m x 4 m m xl m m 。设计的微泵能满足所有药物传输需求，如药品兼容 性，流速可控制性，自启动，芯片体积小和能量消耗低等。因此，这类微泵可以 应用于生物医学研究等方面。 4 热气动微泵 v a nd e nb e r g 等1 8 l 报道了一种热气动微泵，微致动器与微阀集成化；b t a - r 于一 体，结构如图1 7 所示。微泵由一个充满空气的气室、一个薄膜加热电阻组成， 气室与外界以一微通道相连以进行气体交换，薄膜加热电阻安置在气室中间。泵 液时，加热使气室中的气体膨胀，致使位于其下方的弹性泵膜发生向下方的形变， 压迫贮存在泵腔内的液体，此时，阀l 关闭，阀2 开启，液体被通过阀2 推出泵 腔外；吸液时，自然冷却，气室中热气体自然冷却收缩，弹性泵膜恢复原状，在 泵腔内产生负压，此时，阀2 关闭，阀l 开启，外界液体被从泵1 吸入泵腔。 上述过程周期性循环进行，即可形成沿同一方向连续流动的液流。与压电致动原 理相比，热气动致动所需要的加热气体用的电压要低得多，使得体积更易小型化。 6 晰讧土学硕士学位论文 图1 7 热气动微泵示意图 1 8 】 热驱动微泵的加热部分也可不用电加热，而改用激光加热，成为激光热驱动 微泵【1 9 】。如图1 8 所示为一种激光热驱动微泵，其致动原理为在微槽内封入使光 转换为热的低沸点工作流体( 氟类不活性流体：沸点5 6 。c ) ，透过玻璃将激光照 射到光吸收体，引起工作流体发生相变化，微槽内的压力增大，而使隔膜发生位 移。 5 形状记忆合金微泵 图1 8 激光热驱动微泵结构示意图【”1 形状记忆合金在受热时发生相变，通过给形状记忆合金加热和冷却可以为驱 动器提供动力源。b e n a r d 等口1 捌首先将形状记忆合金用于微泵的驱动。如图1 9 所示，两个t i n i 膜片之间是一个硅隔离块。上面t i n i 膜片受热，下面t i n i 膜片 冷却时( 状态1 ) ，驱动器位于下面位置；而当上面t i n i 膜片冷却，下面t i n i 膜 片受热时( 状态2 ) ，驱动器位于上面位置。由于热传递速度的限制，该泵的工作 频率不高。当驱动电流为o 9 a ，频率为o 9 h z 时，该泵抽吸水的最大流量为4 9 g l m i n ，可以达到的最大泵压为4 2 3 k p a 。 淅汪土学_ 璜士学位论文 图1 9 形状记忆合金微泵 2 1 , 2 2 徐东等口0 1 采用溅射方法将t i n i 条沉积在硅振动膜上，硅振动膜除了可以将 t i n i 条与液体分开，还可以提供回复力，这就省去了形状记忆合金驱动中专门采 用的一个回复力结构。其结构如图1 1 0 ，泵的外形尺寸为6 r a m 6 m m 1 5 m m ， 硅振动膜的尺寸为3 m m 3 m m 2 0 岫。实验所用脉冲电流为7 0 一1 2 0 m a ，占 空比为1 ：1 ，当驱动频率为5 0 - - 6 0 h z 时，泵的流量达到最大，为3 4 0p l m i n ， 随着频率的迸一步升高，泵的流量减小，这是由于t i n i 合金相变速度的限制， 该泵的最高工作频率为1 0 0 h z 。 驱动膜 6 电化学致动微泵 进样阀 出水阀 图1 1 0 具有硅振动膜的形状记忆合金微泵 2 0 0 1 年，n i 等吲提出一种利用汞滴表面张力作用进行液流驱动的新型微泵， 称之为电化学致动汞微泵( e l e c t r o c h e m i c a l l ya c t u a t e dm e r c u r yp u m p ) ，是一种新概 念的往复式微泵。其基本原理是利用电致表面张力变化提供微泵的驱动力。有关 施加电压和电解质溶液组成变化对汞滴表面张力影响的研究是电分析化学的传 统研究内容，汞电极的电毛细管蓝线通常呈现抛物线形状，表面张力极大值对应 晰讧上学唾士学位论文 的电压定义为零电荷电压( p o t e n t i a lo f z e r oc h a r g e ，p z c ) 。当施加电压大于或小于 p z c ( 即相对p z c 为正电压或负电压) 时，电荷在汞滴表面聚集，导致其表面张力 降低，汞滴曲率降低，发生形变。其结构如图1 1 l 所示。微泵主要由一上方开 口的容器和中间端插入该容器的“t ”型管两部分组成。容器下部装汞，上部装 电解质水溶液，部分汞靠毛细作用被吸入插入的毛细管中，在毛细管内外形成两 个同心汞柱。“t ”型管水平通道的进出口端各连接一个单向阀1 和2 。微泵的工 作过程分吸液和泵出两部分循环进行。驱动电压以脉冲方波形式施加，其中高压 部分电压接近p z c ，低压部分相对p z c 施加负电压。在吸液阶段，相对p z c 施加 负电压，汞表面张力降低，内汞柱高度降低，流体经单向阀1 被吸入泵通道内； 在泵出阶段，施加电压接近p z c ，汞表面张力增加，内汞柱高度增高，推动通道 内液体经单向阀2 流出。以上过程循环进行，形成单向的连续液流。根据理论计 算，采用该原理的微泵流量最低可达到6n l m i n ( 泵压0 0 4m p a ) ，最高可达近6 m l m i n ( 泵压4 0 0p a ) 。微泵实际工作流量范围在1 0 2 0 0g l m i n 之间，产生液面 差最大近9i n i n ，泵压1 2 0 0p a 。 ( 曲 ( b ) 图1 1 1 电化学致动汞微泵结构示意图 ( a ) 微泵装配前分解图，上图：微泵的插入通道部分；下圈：微泵泵体部分；( b ) 微泵装配后整体图上图 三维图，下图；二维图。( 以上各圈未按微泵实际比例绘制) 此种微泵的特点是：工作原理与活塞往复式泵相似，只不过其“活塞”汞 柱的运动是由电致表面张力的变化引起的，与传统机械加工的活塞相比，液体汞 9 晰讧土学硕士学位论文 柱活塞具有加工难度低，容易成型，易于实现对通道的密封，不存在机械磨损等 优点；同时因驱动方式为往复式操作，因此其液流同样存在流速脉动现象：泵体 本身结构较为简单，容易加工，体积亦可进一步缩小，但仍需两个单向阀与之配 合；该类型所需驱动电压很低，仅数伏，相对其他高电压驱动方法有优势。 2 0 0 3 年，s u z u k i 等 2 4 】研制了一种电化学致动微泵，结构如图1 1 2 所示。该 微泵是通过电化学反应使氢气气泡产生或消失来控制液流的流动。主要组成部件 为薄片三电极系统，工作电极为铂黑p f f c r ，参比电极为a g a g c l ，辅助电极为 a a g c l ，电解溶液为1 0 m o l lk c l h c l ( p h 2 2 ) 。气泡的生长和消失是通过设 定工作电极电压在一个常值来加以控制。泵的运行过程如下：阀a 关，阀b 开， 泵开即气泡产生，通道内的溶液被冲走；阀a 开，阀b 关，泵开即气泡缩小， 外面的溶液被引入；阀a 关，阀b 开，泵开即气泡产生，引入通道内的溶液被 传送到混合通道。 图1 1 2 电化学致动微泵结构示意图口4 1 其中w e 为工作电极，a e 为辅助电极，m e 为参比电极 1 0 浙江土学嘎士学位论文 7 “无阀”往复微泵 j i n - h ok i m 等【2 5 1 报道了一种新型无阀”微机械泵，虽然仍采用压电致动， 但其突出特点是采用了两个结构简单的楔形通道代替以往的单向微阀，起到限流 作用。其基本结构如图1 1 3 所示。该泵在3 0 0 h z l 5 0 v 方波电压驱动下，可以得 到最大泵流量为3 2 9p l m i n ，泵压为1 7 3 p a 。 ( a ) 圈1 1 3 “无溷”往复微泵结构示意图口5 】 其中( a ) 为微泵截面图，( b ) 为i ： d m s 基片示意图，( c ) 为玻璃基片示意图 此外，为了减少气泡的产生，采用了双泵并联的结构。该微泵的工作原理( 参 见图1 1 4 ) 是：当可动薄膜向上运动时，两端的流体同时进入腔内，但由于出口 端的阻力较大，导致入口端流入腔体的流体较多；当薄膜向下运动时，流体从两 端同时流出腔体，但与向上运动时相反，这时入口端的阻力较大，从而出口处流 出的流体较多。这样就实现了流体从入口到出口的泵送。综上，此处所指“无阀”， 是指泵内未使用含活动机械部件的微阀，并非表示微泵不需控制阀；实际上扩散 器和收缩器的联合作用也起着微泵中单向控制阀的作用。 错恤土学硕士学位论文 进口 8 离心力驱动系统 图1 1 4 “无阀”往复微泵工作原理示意图【2 6 】 出口 离心力驱动 2 7 , 2 8 是微流控驱动技术中较为独特的一种技术，其系统利用芯片 在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为液流的驱动力。通过改变芯片 旋转速度和设计不同的通道构型可调节和控制流体的流速。而对芯片上流体的限 流和切换控制则需要配合微阀的使用才能完成。1 9 9 9 年，d u f f y 等 27 报道了一种 在芯片上集成加工有4 8 个酶分析结构单元的离心式微流控芯片分析系统，系统 采用比色法检测。其芯片结构如图1 1 5 所示。通常离心力驱动的芯片为圆盘形， 可在芯片上集成数十至数百个呈辐射状分布的结构单元阵列，有利于实现微芯片 的高通量分析。系统工作时，被驱动液体放置于靠近芯片圆心的贮液池中，芯片 旋转时在离心力的作用下液流通过微通道网络流向芯片外周。其中，通道宽度范 围5 岫0 51 1 1 1 1 1 ，深度1 61 u n 3i n m ，微电机转速6 0 3 0 0 0r p m ，驱动流体的流量 在n l s 到0 1m l $ 范围内。该系统可在芯片旋转过程中完成酶分析所需要的试 样试剂混合、反应、检测等操作。 晰江土学硕士学啦论文 ( a ) 图1 1 5 离心力驱动微流控芯片分析系统0 7 】 ( a ) ：进行酶分析法测定的微流控通道构型设计；酶、抑制剂、底物液池分别与通道r l 、r 2 、r 3 相通；酶 与酶抑制剂首先经毛细突破阀v 1 后汇流，在1 0 0l a i n 宽的蜿蜒通道c 1 内混合，酶一酶抑制剂混合物经毛 细突破阀v 2 与底物汇合，在蜿蜒通道c 3 内混合，进入小室r 4 中。f b ) ：制作离心微流控芯片的掩膜图； 该芯片含4 8 个结构如( a ) 的分析单元，可同时进行4 8 个试样的分析。( c ) ：按( b ) 掩膜制作的p d m s - p m m a 离心力驱动微流控芯片照片。 离心力驱动微泵的特点是：设备较简单，微泵本身不需控制阀，仅靠一台调 速微电机即可实现对流体的驱动和控制，驱动和控制设备一体化；芯片上没有可 活动的机械部件，加工工艺要求不高；流体流动无脉动；驱动系统与被驱动流体 不直接接触，因此对流体的种类没有特殊要求，可驱动的流体范围广泛，包括生 物试样( 如血液或尿) 、含表面活性荆的缓冲液、有机溶剂等；因停止芯片转动所 需的延迟时间较长，因此对液流驱动力的撤消响应时间较长。离心力驱动的一个 特点是其动力施加于芯片上的所有液流，所带来的优点是以单一微电机可同时提 供芯片上所有( 数十至数百个) 结构单元中液流的驱动力，对于进行微流控芯片的 高通量分析具有很重要的意义；所带来的问题是芯片内所有液流同时受力，如无 晰缸土学硕士学位格文 外加微阀( 起限流和切换作用) 的配合使用，则无法完成复杂的微流控操作。离心 式微流控芯片通常综合采用离心驱动系统和微通道上的控制微阀实现对流体的 控制。目前离心力驱动芯片系统存在的主要问题是，旋转的芯片不易与外部的试 样引入系统、联用的检测系统等设备进行耦联，在一定程度上限制了这一技术的 应用。 在d u 厨等的文献口7 】中，曾尝试采用多种不同种类的微阀进行芯片流体的控 制。此处，微阀主要用作液流流动的闸门，种类包括热致动相变阀、气动阀等， 但使用最多的是依靠毛细作用的被动阀，由驱动液流的离心力致动。此类被动阀 的设计主要从芯片的通道构型设计和通道内表面性质的变化两方面入手。该阀的 结构和操作过程如图1 1 6 所示。芯片材质为憎水性的高分子聚合物p d m s 。 当芯片处于低转速时，液流流过微通道，当流至通道与微腔的交界口处因表面张 力的作用而停止于通道内径发生突变处，如图1 1 6 a 。当提高芯片转速，离心力 增加至超过一定阈值时，液流被推动突破表面张力的作用，而流出微通道进入微 腔，如图1 1 6 b 。这一阈值所对应的芯片转速又称之为“突破”频率，因而此类 微阀又称为毛细突破阀。 微室 吒 ( a ) 增加 液体停止于交界处 坊c ( b ) 图1 1 6 突破阀工作原理示意图口7 】 ，芯片旋转角频率( 速度) ；o ，突破频率 液体突破进入微室 j o h n s o n 等口明对突破阀的原理给予理论上的解释，认为流体在通道交界处的 停流是表面张力和流体与通道壁相互作用的综合结果。在通道内径方式突变的区 域，流体受两种力的作用，第一种是离心力，主要由芯片转速决定，如公式1 1 所示： 晰讧土学硕士学位论文 必= p c 0 2 r a r 式中：d 是流体密度，r 是通道内流体距芯片圆心的平均距离，是芯片结构参数， 。是旋转角频率( 速度) ；第二种是抵消此离心力的作用力，主要由液流的表面 张力、微通道内径、与通道几何构型和通道内壁润湿性有关的常数等因素决定， 见公式1 2 所示： 配= a ( a y d 日) + b( 1 2 ) 式中：v 为液体的表面张力，d h 为通道的流体力学直径，a 和b 是与几何构型和 材料润湿性有关的常数。当两作用力相等时所对应的旋转角频率，定义为临界频 率mo ，或突破频率。当芯片转速达到或超过临界频率时，液流克服表面张力的 作用，通过突破阀。 9 剪切力驱动系统 d e s m e t 等口9 1 首次报道了一种新概念的微流体驱动技术一一剪切力驱动技 术，初步实验表明，该技术具有应用于芯片上色谱分析的潜在可能性。剪切力驱 动的基本原理是：利用通道壁的移动，拖动其附近的流体流动，由于在任何流体 中都存在的粘性效应的作用，这一推动力被传至整个流体中。d e s m e t 等1 2 9 1 的实 验装置如图1 1 7 所示。 ( a ) 盖片i 固定片 固移动片霜翮稆 岛相。 一 i b ，。-【疆l 。盖片。， 一 ! 缡一。= 。一。硪； 1l凰皇片 睡i ： 图1 1 7 剪切力驱动色谱系统结构示意图瑚】 ( a ) ，径向截面图：( b ) ，轴向截面图；图中比例非实际系统比例； 白色和黑色箭头分别表示移动片的移动方向和流动相的流动方向； 通道宽4 衄，深o 1 2 5 岬，通道上部为平面的可移动通道壁，下部为固定通道壁。 晰讧土学嘎士学位静文 剪切力驱动系统的结构简单，容易加工，价格低廉。易实现芯片上系统的阵 列化，提高分析通量。但此种驱动系统对通道深度有特殊要求，通常小于1l a i n 。 与电渗驱动系统相比，其共同点是驱动力同时施加于通道内所有液流，而非在压 力驱动系统中，作用力施加于通道一端。不同点是剪切力驱动不需通道内的双电 层和高电压，完全依靠机械运动，流体流速与流体性质和通道表面性质无关。 1 2 3 微流体非机械泵 l 微流体电渗驱动系统 电渗驱动属于致动力直接作用于流体的驱动方式。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使液体一起移动形成了电渗流。电渗驱动微泵 可达到的泵压比较大，但是驱动电压高，流量小。目前，电渗流是微流控芯片分 析系统中使用最广的驱动和控制技术，尤其在目前发展较为迅速的芯片毛细管电 泳系统中是占主导地位的驱动技术。 陈令新等【3 。，3 1 】设计了一种高压微流量电渗泵。泵体主要由高压电源、电渗柱、 毛细通道、导电空心电极以及气泡去除器、压力传感器等构成。单级电渗泵可以 给出0 - - 2 0 m p a 范围的输出泵压和n l 一皿级输出流量。输出泵压和输出流量取 决于电压、填充柱阻力和流体性质。 2 电流体动力微泵 电流体动力( e 1 e c 仃o h y d r o d y n 锄i c ，e h d ) 微泵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 梯度与电势行波之间的相互作用提供驱动力。此类微泵驱动的对象限制于具有很 低电导率( 通常范围1 0 。2 - - 1 0 石s c m ) 的介电流体。b a r t 等f 3 习首先研制了电流体 动力驱动感应泵，给电极阵列施加正弦电压行波进行驱动，所用电压为2 0 0 v ， 频率为1 h z 。a i m 等【3 3 1 研究了平面式电流体动力驱动微泵，其结构原理如图1 1 8 所示。当对图中所示电极施加直流电压时，在正电极附近产生正离子，由于电场 1 6 浙江土学域士学位论文 力的作用，正离子向较近的负电极运动，通过液体摩擦，正离子的动量转移为液 体的动量，液体也从正电极向负电极方向运动。所产生的驱动速度u 、压强p 与 液体的电容率e 、液体粘度和施加的电压v 有如下关系： 胆护妒 ， 用电镀法将金镀在玻璃上成为电极，电极对之闯的距离为2 0 0 p r o ，每个电极对的 两个电极之间的距离为l o o 岬，电极厚度为3 p m ，宽为1 0 0 “m 。采用平面结构， 容易制造。实验测得，当驱动电压为6 0 v 时，流量为l o 儿l m i n ；当驱动电压为 i o o v 时，泵流量为2 0 t l m i n 。 侧视图 嗣向 正离子 顶视图 流向 + -+ + + 一+ 一 l 图1 1 8 电流体动力微泵结构示意图口3 】 3 磁流体动力微泵( m a g n e t o h y d r o d y n a m i cm h dm i c r o p u m p ) 带电粒子在磁场中运动时，可以利用洛伦兹力来控制流体。l e m o f f 等【3 4 1 研 究的磁流体动力微泵如图1 1 9 所示。在图中的电接触间施加电压可在电解质溶 液中产生电流，线圈产生的磁场与之相互作用，使电解质溶液运动。文中提到， 采用交流电可以避免电解质溶液电解。泵的流量与溶液的浓度有关，浓度高则流 量更大。实验测得，当电压频率为l k h z ，6 6 v 时，1 m o l l 的n a c l 溶液的流量 为1 8 3i i l m i n ；而当电压为8 8 v 时，o 1 m o j l 的n a c l 溶液的流量为6 ij t l m i n 。 e i j k e l 等脚】研究了用于色谱分析的磁流体动力驱动微泵，该泵采用玻璃光刻胶 金一玻璃层次结构，可达到的液体流速为4 0 1 x r n s 。 _itil-l 研江太学嘎士学位论文 图1 1 9 磁流体动力驱动微泵结构示意图畔 磁流体动力驱动微泵的特点是：结构较为简单，加工难度不高；液流无脉动， 流动方向双向可调；适用于中等导电液体和水溶液的驱动。 4 重力驱动系统 在y 毡e r 掣3 q 报道的多相层流分离分析系统中，采用重力作为系统的驱动力， 其系统装置如图1 2 0 所示。方法是：将试样和试剂注入通道和贮液池后，将芯 片竖立，利用重力驱动试样和试剂溶液向下流动，进行多相层流分离和混合反应。 由图1 2 0 可见，其系统结构很简单，没有任何专门的致动系统和能源系统。其 进出口液面间高度差为5 c m 。由于不同血液试样的密度和粘度有所差异，将导致 试样液流流速的变化，造成层流间物质传输效率的变化，从而影响分析的准确度。 因此，该系统设计了包含三相层流的分离反应和校正系统，在对试样进行分析的 同时，对层流间物质传输效率进行校正。 晰讧土学礓士学位论文 5 非机械热驱动微泵 图1 2 0 重力驱动微流控分析芯片【3 6 热驱动微泵是利用流体的热特性，例如热胀冷缩或者相变来驱动工作流体。 图1 2 1 所示为利用流体受热相变来实现泵送的新型微泵【3 7 】。通过对微细管内液 体进行循环周期性加热，利用流体周期性的相变可以使流体沿热源移动的方向泵 送。对于特征尺度为2 0 0 t t 的微泵，其泵送流量可达3 4u l m i n ，最大泵压可达 2 0 k p a 以上。 图1 2 l 相变型热驱动微泵示意图 6 化学反应驱动微泵 y oh a r tc h o i 等例介绍了一种新型氧气驱动微泵，如图1 2 2 所示。泵的驱动 1 9 晰江土学硕士学位论文 力是通过化学反应产生的氧气气泡。过氧化氢在催化剂m n 0 2 的作用下分解产生 氧气。仅仅分解1 此3 0 ( w w ) h 2 0 2 就可以得到超过1 0 0r t l 的气态氧。在分解 反应开始前过氧化氢和催化剂用石蜡油分开。通过置于底部的微加热器熔化石 蜡，过氧化氢在催化剂作用下开始分解。贮液槽内的液体样品在氧气的推动下在 微通道内流动。为了简化制作过程，也可以用商品化的石蜡薄层取代石蜡。此外， 过氧化氢只在加热条件下分解，因此氧气微泵的运行就能很好地受到控制。氧气 微泵易实现集成化加工，同时也可以为化学反应系统提供纯氧。 图1 2 2 氧气驱动微泵结构示意图【3 9 】 其中( a ) 为装置截面图，( b ) 为由s u 一8 阳模得到的p d m s 基片 浙江土学硕士学位论文 参考文献： 1 m a n z a ，g r a b e r n ，w i d m e r h m s e n s , a c t u a t o r s 且1 9 9 0 ，b i ：2 4 4 2 f a n gz h a o l u n ( 方肇伦) u n i v e r s i t yc h e m i s t r y 2 0 0 1 ，1 6 ( 2 ) ：1 3 、x uv i ( 徐溢) ，e i j k e lj a nct ，m a n za c h e m j c h i n e s eu n i v e r s i t i e s 2 0 0 0 ，2 1 ( 7 ) - 1 0 2 8 4 m a n za ，f i t t i n g e rjc ，v e r p o o r t eemj ，l u d ih ，w i d m e rhm ，h a r r i s o ndj t r e n d s a n a l c h e m 1 9 9 1 ，1 0 ：1 4 4 5 k i me ，x i ayw h i t e s i d e sgm n a t u r e 1 9 9 5 ，3 7 6 ：5 8 1 6 w o o l l e y at ，m a t h i e sr a a n a l c h e m 1 9 9 5 ，6 7 ：3 6 7 6 7 w o o l l e yat ，h a d l e yd ，l a n d r ep d em e l l oaj ，m a t h i e sra ，n o r t h r u pm a a n a l c h e m 1 9 9 6 ，6 8 ：4