（应用化学专业论文）玻璃基微流控芯片电渗泵.pdf

摘要 摘要 微流控芯片是以微米级通道网络为基本特征，以微机电系统( m e m s ) 为加 工平台构建的微分析单元与系统，将生物、化学等领域所涉及的样品制备、分离、 检测、反应等基本操作单元集成到一块几个平方厘米的芯片上。由于其具有微型 化、集成化、自动化、分析速度快、样品消耗少等优点，具有广泛的应用前景， 在疾病诊断、药物筛选、环境保护、司法鉴定等领域发挥重要作用。 微流控芯片可以在野外及其他实验室以外的场所使用，因而又被称为芯片实 验室。但是，在实际应用中，真正能在野外使用的芯片还相当少见，因为芯片往 往需要配备比较复杂的系统进行溶液的驱动和控制等操作。利用电渗现象进行微 流体的驱动，可以非常灵巧，便于集成和多路控制，因此，微电渗泵的驱动系统 微型化与集成化是微流控芯片扩展其应用范围的关键技术之一。 本论文围绕解决微流控芯片上电渗泵存在的两个问题，即主通道中电场干扰 与操作电压高带来的安全与功耗等问题，进行探索，具体研究内容如下： 1 基于标准光刻与湿法刻蚀技术，优化了玻璃微流控芯片的制作工艺。建 立了低温键合方法，为玻璃微流控芯片的后续应用建立基础。 2 建立微流控芯片微通道选择性聚电解质层层自组装电荷修饰方法，在不 同的微通道表面修饰不同的电荷，为芯片表面的多功能化建立技术基础。 3 对于微电渗泵主通道电场干扰问题，设计了y 型无电场微电渗泵，通过 聚电解质自组装修饰使y 型两侧臂通道表面分别带正、负电荷，当电渗泵工作 时，外加电场仅存在于侧臂通道，而主通道中无电场作用。侧臂通道由一系列平 行微通道构成，以增大电渗泵流速。 4 对于微电渗泵需高电压驱动问题，设计了一种多级微电渗泵，即通过电 渗泵单元串联、电压并联、减小电渗泵通道长度的做法实现在低操作电压下电渗 泵压强串联，增大电渗泵压强。在驱动电压为5 0v 时，7 级电渗泵的输出压强 约为7 1 0p a 5 设计并制作了一系列基于拐角、单元长度变化的微混合器，并采用荧光 法、标准偏差法考察了r e y n o l d s 数、拐角、单元长度对混合效果的影响。 摘要 关键词：微流控芯片；玻璃芯片；微电渗泵；微混合器 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i pi sam i c r oa n a l y s i ss y s t e mb a s e do nm i c r o s c a l en e t w o r k c h a n n e ls t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gp l a t f o r mo fm e m s ，w h i c hi n t e g r a t e st h eo p e r a t i o n u n i t so fs a m p l ep r e p a r a t i o n ，s e p a r a t i o n ，d e t e c t i o n ，r e a c t i o no n t oac e n t i m e t e r - s c a l e c h i p m i c r o f l u i d i cc h i ph a sb e e nf o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm a n y f i e l d si n c l u d i n gc l i n i c a ld i a g n o s t i c s ，d r u gs c r e e n i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d j u d i c i a le x p e r t i s e ，o w i n gt ot h ea d v a n t a g e ss u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n , i n t e g r a t i o n , r o b o t i z a t i o n ，f a s t - a n a l y s i sa n dl o w - c o n s u m p t i o n m i c r o f l u i d i cc h i ph a sb e e nk n o w na sl a b o n - a - c h i pa sw e l l ，b e c a u s et h ec h i pw a s p o r t a b l ea n dc a nb ee m p l o y e di nt h ee n v i r o n m e n to u t s i d el a b o r a t o r y , h o w e r e r , f e w m i c r o f l u i d i cc h i pw a ss u c c e s s f u l l yu s e do u t s i d el a b o r a t o r yv i r t u a l l y , f o rc o m p l i c a t e d s y s t e mw a sr e q u i r e dt om a n i p u l a t et h ec h i p d r i v i n gl i q u i db ye l e c t r o - o s m o t i cf l o wi n m i c r o f l u i d i cc h i pw a sv e r ys u c c e s s f u lb e c a u s et h ef l o w ，i n c l u d i n gf l o wr a t ea n df l o w d i r e c t i o n ，c a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d ，a n dt h ee l e c t r o o s m o t i cp u m pc a nb ew e l la n d e a s i l yi n t e g r a t e d o nc h i p ，w h i c hw a so n eo ft h em o s tc r u c i a l t e c h n i q u e s i n m i c r o f l u i d i cc h i p t h i st h e s i sa i m st or e s o l v ee x i s t i n gi s s u r eo fa v o i d i n gt h ed a m a g ec r e a t e db yt h e l l i g he l e c t r i cf i e l d sr e q u i r e dt od r i v ee l e c t r o o s m o t i cf l o wa n dh a z a r d o u sh i 曲d r i v i n g v o l t a g ew h i c hp r e v e n t se a s yh a n d l i n g t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w ： 1 m e t h o df o rt h ef a b r i c a t i o no fg l a s s b a s e dm i c r o f l u i d i cc h i pw a so p t i m i z e d ， a n dt h ea p p r o a c ho fl o wt e m p e r a t u r eb o n d i n go fg l a s sc h i pw a se s t a b l i s h e da n d o p t i m i z e d ，w h i c hh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o ni ng l a s sc h i p 2 t e c l l i l i q u eo fc h a r g em o d i f i c a t i o ns e l e c t i v e l yi nm i c r o c h a n n e lb yt h em e t h o d o fl a y e r - b y l a y e re l e c t r o s t a t i cs e l f - a s s e m b l yo fp o l y e l e c t r o l y t em u l t i l a y e r sw a sb u i l tt o c r e a t en e g a t i v ea n dp o s i t i v ec h a n n e ls u r f a c ec h a r g e sr e s p e c t i v e l y , w h i c hi sv e r y p r o m i s i n gf o rt h em u l t i f u n c t i o n a l i z a t i o no f c h a n n e ls u r f a c e 3 ay - s h a p e df i e l d - f r e ee l e c t r o o s m o t i cm i c r o p u m pc o n s i s t i n go ft w oa r m sw h i c h i i i a b s t r a c t h a ss m a l ls u b - c h a n n e l si np a r a l l e lw a sd e v e l o p e d t w oa i n c h a n n e l sw e r em o d i f i e d w i t hc a t i o n i ca n da n i o n i cp o l y e l e c t r o l y t er e s p e c t i v e l y , a l l o w i n gaf i e l d f r e ef l o wt ob e g e n e r a t e d i nm a i n c h a n n e l 4 an o v e lm u l t i s t a g ee l e c t r o - o s m o t i cm i c r o p u m pw a sd e v e l o p e dw i t ht h e p u r p o s eo fl o w e r i n ga p p l i e dv o l t a g e l o wv o l t a g ew a sa c h i e v e db yc o n n e c t i n ga s e r i e so fe l e c t r o o s m o t i cp u m pu n i t r e s u l ts h o w e dt h a tp u m p i n gp r e s s u r ew a s710p a f o rt h ep u m pw i t h7 s t a g e sw h e na p p l i e dv o l t a g ew a s5 0v 5 as e r i e so f2 dm i c r o m i x e r si n t e g r a t i n ga n g l e sw e r ed e s i g n e da n df i t c m i x i n ge x p e r i m e n t sw a sc a r r i e d o u tt ot e s tt h e m i x i n gp e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o m i x e r s k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p ；g l a s sc h i p ；e l e c t r o - o s m o t i cm i c r o p u m p ；m i c r o m i x e r i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：? 秸炜礞 年月 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人：蕊啼礞 年月日 第璋绪论 第一章绪论 1 1 微全分析系统与微流控芯片简介 111 微全分析系统特点与发展现状 分析测试技术与人类生产生活密切相关其应用范围涉及国民经济、环境 保护、国家安全及人的衣、食、住、行等各个方面。随着分析测试技术的进步 发展与普及，分析实验室将逐步走进家庭和个人生活，因此，分析仪器的微型化、 集成化、僵携化成为分析科学的重要发展趋势之“。1 。微全分析系统 ( m i n i a t u r i z e d m i c r o t o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，u 1 a s ) 是2 0 世纪9 0 年代初由m a l l z 和 w i d m e r 首先提出的个分析化学的新领域，它的目标是通过化学分析仪器的微 型化、集成化，最大限度的把分析实验室的诸多功能如样品的制备、反应、分离、 检测等集成几个平方厘米的芯片上，因此又称芯片实验室( l a bo na c h i p ，l o c ) ( 图1 。1 ) 。基于芯片结构的微全分析系统中，依据芯片结构和工作机理可分为微 阵列( 生物) 芯片与微流控芯片( 图1 2 ) 。 图1 1 高度集成化的芯片实验室“1 微阵列芯片“。7 1 ( m i c r o a r r a yc h i p ) ( 图i - 3 a ) 是以微点阵列为结构特征，以 第一章绪论 生物亲和结合技术为核心，具有高通量、微型化、自动化的特点。微阵列芯片根 据研究探针不同又可分为基因芯片、蛋白质片等，日前己实现深度产业化，但由 于存在成本过高、定量准确性及重现性差等问题，未能得到广泛应用。 图l 一2 微全分析系统的分类 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 。”1 是以微米级至亚毫米通道网络为基本特 征，以微机电系统( m e m s ) 为加工平台在固体芯片表面构建的微分析单元和系 统( 图1 3 b ) 。微流控芯片是一个高度学科交义的领域，它结台了材料、电了、 物理、化学、生物等诸多学科的知识，根据使用目的或功能卟刊可分为分离芯片 ( 如电泳芯片) 、反应芯片( 如p c r 芯片) 和合成芯片等。微流控芯片具有试剂 消耗少( n l l t l 级) 、分析检测速度快、污染少、便于集成与携带等优点，有望 在疾病诊断、药物筛选、食品安全、环境监测、司法鉴定、体育竞技等与人类生 存质量和安全相芙领域发挥重要作用“，已成当今世界最前沿的热点领域之一。 a 陋 图1 - 3 ( a ) 高密度微阵列芯片“1 、( b ) 具微通道网络的微流控芯片“” 旦 第一章绪论 随着微流控芯片研究的深入，其产业化进程逐渐加快。自1 9 9 8 年后，微流 控芯片的应用以及产业化成为主题，微加工技术与检测技术逐渐向简单、廉价、 快捷的方向发展n 引，商品化的微流控芯片以及分析仪器也相继问世，如美国惠普 ( 现a g i l e n t ) 公司与c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 公司联合研制的微流控芯片商业化仪器 a g i l e n t2 1 0 0 芯片生化分析仪n 羽、m i c r a l y n e 公司生产的m i c r o f l u i d i ct o o lk i t 仪器 n 钔及c y g n u s 公司生产的g l u c o w a t c hn 5 1 等，微流控芯片的产业化前景越来越广阔， 并有可能成为新的经济增长点。 1 1 2 微流控芯片的制作 微流控芯片的加工方法是微流控芯片发展的基础，它起源于半导体及集成电 路的微细加工，而随着基于微电子技术的微机电加工系统( m e m s ) 的快速发展， 微流控芯片的加工技术正日趋成熟。但另一方面，基于m e m s 的微加工技术通 常需要昂贵的设备，且制作成本高，因此限制了其应用的扩展。 目前微流控芯片的材料已由硅发展到玻璃、石英、有机聚合物等。而随着芯 片材料的发展，基于传统的光刻、刻蚀技术的芯片加工技术也得到进一步发展， 如热压法( h o te m b o s s i n g ) 陋馆1 、激光烧蚀法( l a s e ra b l a t i o n ) n 捌、注塑法 ( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 、压印法( i m p r i n t i n g ) 2 4 - z s 、模塑法( m o l d i n g ) 剃 、 l i g a 技术汹啦! 等。硅由于成本高、不透光、易碎、电绝缘性差，限制了其在微 流控芯片中的应用。p d m s 、p m m a 、p e g 等有机聚合加工方便、成本低，但不 耐高温、导热系数低、表面改性复杂。玻璃和石英微流控芯片具有优良的光学与 电渗性能、容易获得良好的微细通道、表面改性的化学方法成熟，因此在微全分 析系统研究中具有十分重要的地位啪1 。而相对于玻璃芯片，石英虽然适合于紫外 检测，但其成本远高于玻璃，因此，目前商品化微流控芯片多为玻璃芯片。 玻璃微流控芯片的制作通常采用光刻与湿法刻蚀卜矧工艺在玻璃上刻蚀微 通道网络结构，通过高温键合等键合方法获得玻璃芯片，主要步骤包括图形设计、 掩膜制作、光刻( l i t h o g r a p h y ) 、刻蚀( e t c h i n g ) 、键合( b o n d i n g ) 等步骤( 图 1 4 ) 。 3 第一章绪论 c ，口 一 $ * + ，i f p 自i e 口 k 一_ * 覆 d 日l 量：i u 川v m - l _ _ - _ 罩誓薯置叠盈冒薯譬薯誓誓圈 * 口 i _ j b g f 日 一- _ ；e * 日 女口r 目 ”a 口 下- 图1 _ 4 玻璃微流控芯片制作流程图 1 2 微流体驱动技术 微通道中的流体驱动是微流控芯片领域的关键技术之一，是实现微流体控制 的前提和基础，微流体驱动与控制技术的发展促进微流控芯片微型化、集成化及 可携带性1 。随着微流控芯片的进一步发展实现微流体的自动、准确的驱动与 控制越柬越引起人们的重视，成为研究热点。微米乃至纳米尺度通道中流体的驱 动与控制技术与宏观条件下流体的驱动与控制技术不同，由于尺度减小，流体的 流动特性发生变化，微通道中的流动通常为低r e y n o l d s 数下的层流，使流体更 容易控制；男一方面，由于尺度效应的影响，宏观条件下流体流动中许多可以忽 略的因素在微流体流动中往往成为决定性的影响因素，而在宏观流动中处于支配 作用的影响因素的作用下降。“。因此，微流体的驱动与控制技术更为复杂与多样， 不能简单移植宏观流体驱动与控制技术。 微流体的驱动以各种微型泵的形式出现，是微流控芯片领域的重要研究对象， 迄今为止，已有多种形式的微泵，根据微泵内部是否有运动部件可将微泵划分为 机械微泵与非机械微泵1 。 12 1 机械微泵 第一章绪论 机械微泵内部存在可运动的机械部件，利用活动部件的运动驱动流体。常见 的有气动微泵、热气驱动微泵、压电驱动微泵、超声波激励微泵等。下面选择性 地就常见的机械微泵进行简单介绍。 1 2 1 1 气动微泵 气动微泵通常以p d m s 作为材料，利用p d m s 薄膜的弹性形变驱动流体流 动。q u a k e 等啪1 制作了一种由三个气动微阀构成的p d m s 气动微泵( 图i - 5 a ) ， 当通入气体时，气体压力引起p d m s 薄膜形变，流体通道闭合，而当撤掉压力 时，p d m s 薄膜由于自身弹性恢复原状，使流体通道开启。顺序对三个阀进行开 启、闭合，从而使微通道中流体定向流动。m a t h i e s 等们则提出了一种多层结构 的p d m s 玻璃杂合气动微泵( 图1 - 5 b ) ，由三个微型阀构成。气动微泵可在芯 片上规模集成1 ，加工方法易于m e m s 方法兼容，已成为微流控芯片领域普 遍使用的多通路控制系统。气动微泵的缺点是p d m s 易吸附蛋白质、d n a 等生 物样品且遇有机溶剂易溶胀。 图1 - 5 ( a ) p d m s 、( b ) p d m s 玻璃杂交气动微泵示意图州帕 1 2 1 2 热气驱动微泵 热气驱动微泵“妇是利用气体腔内气体的收缩、膨胀来驱动膜片，以硅片作为 微泵材料，由p + 硅隔膜、微加热器与一对单向阀构成，如图1 - 6 所示。通过对硅 片上的电阻进行加热或冷却，使空气腔内气体膨胀或收缩，推动隔膜运动，即以 空气作为介质采用冷热的不断循环推动隔膜做循环往复运动，从而驱动流体流 动。通过单向阀可改变流体的流动方向，且对输送的流体种类无限制。但是，该 5 第一章绪论 泵使用硅等材料，结构较难j j n - r - _ ，不利于在芯片上集成。 两f i 嘲 n 。7 广嘲一f a 如 图1 - 6 热驱动微泵结构示意图h 蛆 1 2 1 3 超声波激发微泵 声波激发微泵是基于声流激发驱动流体的一种微型泵，其工作原理见图 1 7 “别。当声波在薄膜上运动时，高密度声场将会使靠近膜的流体沿波的传播方 向流动。薄膜一般由低应力的硅氮化物、具有压电效应的氧化锌和铝构成。超声 波微泵受频率、膜材料、波长的振幅等多种因素的影响，当其它条件固定时，泵 流量由振幅和通道深度决定。声波激发微型泵可以输运任何液体与气体，是典型 的低压、微流量泵。在超声波的处理下，可对血细胞等进行分离，已应用于临床 血液回收。 图1 7 超声波激发微泵示意图眦1 1 2 1 4 压电驱动微泵 压电驱动微泵的原理是基于压电晶体的压电特性，在振动膜上方放置压电 片，利用压电材料的压电效应使振动膜做周期性振动，从而使泵腔压力发生周期 性变化而驱动流体流动。b o h m h 3 3 等在报道了一种压电驱动微泵( 图1 8 ) ，将锆 钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷片粘结在黄铜振动膜片上，施加3 5 0v p p 方波电压，当 驱动频率为5 0h z 时，流速与压强分别达到2 1m l m i n 与1 2 5c m 水柱。压电驱 动微型泵结构简单，响应快，但产生的压力低、不能批量生产，且驱动电压偏高。 6 第一章绪论 陵一一；牟 i 广一 汕n l|u 匕写i m 由 图1 8 压电驱动微泵结构示意图“叼 1 2 1 5 静电驱动微泵 静电驱动微泵利用薄电极泵膜与一个固定的对电极之间的静电作用驱动流 体流动。z e n g e r l e 等h 钉报道了一种四层结构的静电微泵( 图1 9 ) ，隔膜电极与固 定电极间以绝缘层进行间隔，操作可分为吸液过程与输出过程，吸液过程两电极 间距变短，而输出过程两电极间距变长。当驱动频率范围在1 1 0 0h z 时，可获 得最大流量为3 5 0 t l m i n ，最大压强为2 4m 水柱。静电驱动微泵的驱动频率较 高，因此获得流速脉动较小。 9 s ，b 0 r e s s u r e 图1 - 9 静电驱动微泵结构示意图3 机械微泵除上述几种外，另有形状记忆合金微泵4 5 1 、电化学致动微泵h 町等。 机械微泵除了q u a k e 的气动微泵外，通常结构复杂、加工难度大，且不易集成 到微流控芯片上。 1 2 2 非机械微泵 非机械微泵的特点是驱动系统本身无运动部件，其中多种非机械泵的原理已 超出了传统微泵的概念，常见的有光驱动微泵、磁流体驱动微泵、电流体驱动微 泵、电渗驱动微泵等。 7 第一章绪论 12 21 光驱动微泵 光驱动微泵利用液体的衷面自由能空间梯度移动液体。i c h i m u m 等“”采用光 导移动液体，通过将不对称的光照射到一个光致异构化物质表面( 其表面部分通 过异构化反应对光敏感) 产生自由能空间梯度，使物质表面产生表面张力梯度， 从而驱动波滴运动，如图1 1 0 所示。 1222 光学捕获微泵 图1 1 0 光驱动微泵示意图“” 光学捕获又称光学镊子，是基于光辐射压的原理，通过强汇聚的光束( 激光) 对微粒在光束传播方向上进行光学捕获从而驱动微粒移动。m a r c 等“”通过激光 扫描光学捕获的方法对多个胶束粒子的运动与位置进行控制( 图l - 1 1 ) ，实现微通 道中齿轮泵和蠕动泵的功能。 a 番一 圈囵 曩露 图l - 1 1 光学捕获( a ) 齿轮泵、( b ) 蠕动泵1 1223 磁流体动力微泵 基于磁流体驱动的磁流体动力微泵( 图1 1 2 ) 是将分别接直流电源正、负 互互盈 幂焉目j 雪一 第一章绪论 极的电极扳和两块永久性磁铁( n 、s 两极相对) 垂直放置，通过右手定则判断 测得l o r e m z 力方向，即液体被驱动方向。磁流体动力微泵结构简单、流向可调， 通过改变电场方向即可改变流体流向。但磁流体动力微泵也存在一些缺点，如溶 液中电解质离子浓度较大、电压高时易产生气泡。 图1 1 2 磁流体动力微泵示意图“” 1224 离心力驱动微泵 离心力驱动微泵”“”利用芯片在马达带动下做圆周运动时产生的离心力驱 动流体运动。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。d u 厨等“”制作了一种基于离心力驱动原理的圆盘形微流控芯片分析系统 ( 图1 1 3 ) 将液体爱于靠近芯片圆心的储液池中，芯片旋转时储液池中的液流 在离心力的作用下流向芯片外周，当马达转速为6 0 3 0 0 0r p m 时，获得流速为5 n u s 01m l s 。离心式微流控芯h 仅靠马达即可实现对流体的驱动与控制且驱 动系统与被驱动流体不直接接触，因此，可用于驱动任何流体。但它与外部的检 测系统、试样引入系统不易兼容，限制了其应用。 图1 一1 3 离心力驱动微流控芯片系统( a ) 用于酶分析测定的通道结构、( b ) 芯片掩膜版、( c ) p d m s p m m a 离心力驱动微流控芯片实物f | 【片5 ” 12 25 电流体动力微泵 第一章绪论 电流体动力微泵畸州1 的基本原理是利用流体中的带电离子在电场作用下迁 移从而拉动溶剂一起移动，一般适用于极低导电率( 1 0 - 1 2 1 0 。6s c m ) 的液体。 a h n 畸3 1 等设计了一种平面式电流体驱动微泵，其结构原理如图1 1 4 所示，当对图 中所示电极施加直流电压时，正电极附近产生正离子，正离子在电场力的作用向 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 正电极向负电极运动。 嬲境豳藏向 正强予 顼规罄 流向 图1 1 4 电流体动力微泵结构示意图例 1 2 2 6 电渗驱动微泵 电渗微泵嘲1 是根据电渗驱动的原理驱动流体运动，它是指通道表面电荷在外 加电场作用下产生电渗流带动流体整体往一个方向移动。基于电渗驱动原理的微 电渗泵具有可连续输液、无脉动、无可移动部件等优点，是目前较为成功的一种 微流体驱动与控制技术，在微流控芯片上有着广泛的应用。 非机械泵相对于机械微泵，易加工、易集成到微流控芯片上，且种类繁多， 并处于不断发展中，除以上述几种外，还有重力驱动微泵、表面张力驱动微泵嘞1 、 相变微泵嘞1 等，这里不再赘述，下面就微电渗泵进行详细介绍。 1 3 1 电渗泵理论 1 3 电渗泵 电渗驱动是利用电解质溶液在外加电场作用下产生电渗流驱动流体运动。 产生电渗流的前提是与电解液接触的微通道表面存在不动的表面电荷1 ，表面电 1 0 扣什卜h抟 卜什弘 第章绪论 荷来自于离子化基或是液体中被吸附在其上的电荷。在表面电荷的静电吸附与分 子扩散作用下，溶液中的抗衡离子就会在固、液界面上形成双电层，双电层由紧 密层与扩散层组成，紧密层是吸附在通道表面不动的正电荷离子，扩散层是正电 荷离子浓度较高的可移动部分，而通道中央液体中的静电荷几乎为零。当往通道 两端施加电压，在外电场的作用下固、液两相就会在紧密层与扩散层之间的滑 动面上发生相对运动。由于离子的溶剂化作用或粘滞力的作用，当形成扩散层的 离子发生迁移时，这些离子就会携带液体向前移动，形成电渗流“1 。电渗流的流 速轮廓呈瓶塞状，不同于液压流的抛物线型，如图1 1 5 所示。电渗流在通道中 匀速流动，不存在径向的流速梯度。 “鼍愚愚舞舞 + e o f z = ，一 o e e o $ 0 0 0 m o _ 叫_ e 0 0 e o o o o e e + = e o f 。 e e e e e o e e e e - c _ m az = = _ 图l 1 5 通道壁带( a ) 负电荷、( b ) 正电荷的电渗流、( c ) 液压流剖面图 根据h e l m h o l t z - s m o l u c h o w s l d 定律，电渗流速率可表示如下： = k e 一篇i u ( 1 ) 式中，f 。为屯渗淌度，e 为电场强度，目为流体的粘度，f 为z e t a 屯势，也 即电动电势，分别为介质的真空介电常数与相对介电常数，u 为施加在长 度为l 的通道两端的电压。由式( 1 ) 可知，电渗流与流动相的介电常数、粘度、 电解质浓度、硅羟基电离程度以及施加的电场强度等因素有关，当焦耳热效应很 小时，电压与电渗流流速呈线性关系。 相对于其它微泵，基于电渗驱动原理的电渗泵具有很多优点，机械式微泵 第一章绪论 由于存在单向阀和动态密封的微渗漏，难以精确输送微升( “l m i n ) 及微升以下 级流体。而电渗泵具有可连续输液、无脉动、无可移动部件、无机械磨损和材料 的疲劳以及避免了单向阀与动态密封的微渗漏等特点畸7 1 。此外，通过电压的切换 可以控制微通道中电渗流的流动方向，实现阀的功能；优化微通道的几何尺寸， 可以在微通道的不同位置产生不同的流速，可广泛应用于微型流动注射分析、微 全分析系统中的流体传输。 1 3 2 电渗泵发展 早在1 8 0 9 年，r e u s s 就发现了电渗现象，他发现在外电场作用下，液体可以 通过多孔物体而移动，但一直未得到很好的应用。p r e t o r i u s 等旧3 在1 9 7 4 年通过 往填充柱两端施加电压，实现了以高压直流电源替代压力泵驱动色谱。1 9 7 5 年 t h e e u w e s 提出了一种用于药物传递控制的电渗泵呻1 ，但之后在分析化学领域关 于电渗泵的研究较少。直到进入2 0 世纪9 0 年代，随着微全分析系统( 1 x t a s ) 的提出，特别是h a r r i s o n 等在1 9 9 3 年用电渗流驱动微流体，成功实现在微芯 片上的电泳分离，后来这种技术经过不断完善，被广泛应用于微流控芯片中样品 的驱动与控制。 微电渗泵经过几十年的发展，电渗泵形式逐渐增多，目前主要可分填充床 电渗泵( p a c k e d c o l u m ne o p ) 与开管电渗泵( o p e n - c h a n n e le o p ) 两种，下面分 别进行详细介绍。 1 3 2 1 填充床电渗泵( p a c k e d c o l u m ne o p ) 填充床电渗泵3 1 是在微管道中填充大量微小介电材料，利用微小颗粒表面 因电离或吸附产生电荷而与流体形成双电层的特点，通过施加外电场引起双电层 中的扩散层的迁移带动流体流动。填充床电渗柱通常是往熔融石英毛细管中填充 粒径为1 5l x m 的多孔硅胶微粒，两端烧结刚性多孔塞子进行密封固定。由于硅 胶酸性硅醇基团的离解，使硅胶表面带负电，并吸附本体溶液中的正电荷形成双 电层。填充柱内颗粒间隙可看作许多内径极细的毛细管的集合畸7 | ，因此可获得较 高输出压强。z e n g 等2 1 将粒径为3 5 岬的无孔硅胶粒子填充到内径为5 0 0 7 0 0 1 2 第一章绪论 l a m 的熔融石英毛细管中，并利用烧结法将硅胶粒子固定制作了一种填充床电渗 泵( 图1 - 1 6 ) ，以去离子水作为工作流体，在2 0 0 0 v 外加电压的驱动下获得超过 2 0a t m 的压强和3 6g l m i n 的流量。 mn 一一m 一随 图1 1 6 填充床电涪泵填充柱制作“ k a n g 等6 ”将直径为6 - 8p m 的十八烷基键合硅胶( o d s ) 填充至内径为 3 2 0 7 0 0g m 的熔融石英毛细管中制作了填充床电渗泵。陈令新“等通过填充纳 涞石英填料的方法实现在保持电渗泵高压强的情况下获得高流速，成功地驱动了 内径为1 5 0j l i l l 、长为2 0c m 的色谱柱。 虽然填充床电渗泵可获得高输出压强，但由于存在填充的颗粒粒径驶填充密 度不均等问题，导致填充柱中局部流速存在差异。此外，填充床不易集成到微流 控芯片上，无法实现与芯片上其它操作单元的兼容。 近年来，多孔整体柱微屯渗泵( p o r o u s m o n o i r h e o p ) 逐渐 r 起研究者的关 注，整体柱是通过有机或无机聚合的方法原位制各而成的一个棒状整体，具有制 备方法简单、内部结构均匀、重现性好、纳米孔洞可控等优点叫。整体柱可分为 硅胶整体柱与有机聚合物整体柱，两种整体柱的制各技术已日趋成熟硅胶整体 柱通过溶胶一凝胶法进行制各，而有机聚合物整体柱则通过将单体、引发剂、致 孔剂等混合物经热、紫外光等引发实现原位聚台”1 。整体柱电渗泵作为一种特殊 的填充床电渗泵，由于可原位进行制备，避免了烧结塞子的制作，且易集成q 微 流控芯片上。整体柱微电渗泵中的纳米孔洞相当于纳米通道，可以获得较大的输 出压强。t r i p p 等制做了由氯甲基乙烯二乙烯苯单体聚合而成的整体柱电渗 泵，该电渗泵在5 0 v 驱动电压下，可获得o3 8 m p a 的高输出压强。w a n g 等” 采用溶胶凝胶法制作了硅胶整体柱电渗泵( 硅胶整体柱截丽s e m 罔如罔1 1 7 所示) ，施加6 0 0 0 v 的驱动电压，获得的流速与压强分别为2 9 乩r a i n 与3a r m 。 霹 第章绪论 图1 1 7 硅胶整体柱截面图1 13 22 开管电渗泵( o p e n c h a n n e le o p ) 开管电渗泵”“卡要利用毛细管柱或微加工技术刻蚀的微通道产生电渗 流，其特点是输出压强较低，但易加工，不存在填充颗粒粒径、孔径分布不均等 问题，通道中流速较均匀，重现性高，且易与其它操作单元在微流控芯片上集成。 m o r f 等。”在2 0 0 1 年制作了种平行多通道微电渗泵( 图l - 1 8 ) ，电渗泵通道由 6 个长为8 3m m 、宽为3 0 0g m 、深为5 0o m 平行通道组成，通过这种并联的设 计使获得的总流速为6 个通道流速的加和可以在不提高外加电压的条件f ，增 大电渗泵流速，同时由于每个通道内电流较小，因此可减小产生的焦耳热。 图1 - 1 8 平行多通道电渗泵结构示意图”“ c h e n ”等以玻璃作为芯片材料，设计了一种具通道长度小( 1m m ) 、宽度大 ( 3 8m m ) 、深度小( 09 岫) 特点的平面微电渗泵( 结构示意图及实验装置图 如图1 - 1 9 a 、b 所示) ，以去离子水作为测试流体，在1 0 0 0v 的外电压驱动下， 可获得o3 3a r m 的高输出压强与1 5i x l m i n 的高流速，但是过浅的通道容易出现 第一章绪论 坍塌问题。 口 黜0 赫絮? j 掣 日芸生翌= 矧：。 日- o o o o o “0 1 固簖 跨湛划 l 二i ：二o i j t a k a m u r a 等”设计了一种由低电压驱动的多级微电渗泵( 罔l 一2 0 ) ，由平行 微通道及连接平行微通道间的宽通道组成，当往每级电渗泵通道两端施加相同的 电压时，平行微通道中电渗流方向为流体流动方向，宽通道中的电渗流方向则与 流体流动方向相反，但宽通道产生电渗流与平行微通道产生电渗流相比较小，冈 此只有较小的流速抵消。通过增加电渗泵级数、减小电渗泵通道深度，可在不增 大电雎的情况下增大电渗泵输出压强与流速。 图1 - 2 0 低电压微电渗泵“” 虽然微电渗泵作为一种较成熟的微流体驱动技术已经被广泛应用于微流控 芯片但它的使用仍然存在一些问题，如通道中的电场干扰与操作电压过高等问 题，需要进一步优化与改进。 第一章绪论 1 4 微混合器简介 微体积流体的混合是微流控芯片重要的单元操作之一，因此，作为实现微 流体混合的操作单元微混合器已成为微流控芯片领域的研究热点，引起广泛 关注。由于芯片通道特征尺度为微米级( 一般为1 0 - 5 0 0l a m ) ，流量为p l 级至 i l l 级，r e y n o l d s 数通常低于1 0 0 ( r e d o 1 - - 一1 0 0 ) ，流动完全呈层流状态，微流体 的混合主要基于扩散混合，其过程相当缓慢，需要较长时间、较长混合通道才能 实现完全混合啪1 ，尤其是流速快、扩散系数低的可溶性流体。因此，实现流体间 的快速、高效混合的微混合器的设计与制作，是目前极具挑战性的研究课题之一。 为了促进微流控芯片中流体混合，目前国内外采取多种的方式增加流体间 的接触面积或增强对流。根据有无外界动力源，可将微混合器分为主动式微混合 器与被动式微混合器口争删。被动式微混合器除驱动流体流动的力( 如压力、电渗 驱动等) 外，混合不借助于外力，混合器中无任何可移动部件。而主动式微混合 器则需借助电场、声场等外力作用促进混合。 1 4 1 被动式微混合器( p a s s i v em i e r o m i x e r s ) 被动式微混合器依靠改变微通道的形状或增加阻碍物增强流体问的扩散、对 流，从而增加通道中流体问的接触面积，缩短扩散路径，提高混合效率。由于无 可移动部件和外界能量源，且结构简单、容易加工，应用较广泛，但也存在混合 时间长、混合通道长等缺点。被动式微混合器主要可分为层流混合式微混合器、 混沌对流式混合器、微注入式微混合器、液滴式微混合器等。 层流式微混合器口h 鲫是通过将入流分成几股小的流体，汇合后再分离，再汇 合，以增大流体间的接触面积，提高混合效率。b e s s o t h 等口7 1 设计了一种基于层 流原理的交叉分液汇合式微混合器( 图1 2 1 ) ，将液流分裂成多个薄层液流，从 而缩短流体间的扩散距离，由于扩散距离与扩散时间的平方成正比，因此流体间 的混合时间减小。图1 - 2 1 a 为交叉分液汇合式混合器的结构示意图，图1 - 2 1 b 是 其局部放大图。b o h m 等口目则设计了一种快速涡流式微混合器，通过涡流减小 流体间的扩散距离而达到快速混合。 1 6 第一章绪论 司 目 图1 2 1 交叉分液汇合式微混合器”7 1 混沌对流微混合器删是通过设引特殊通道结构，增强与流体运动方向垂直 的横向对流米促进流体问的混合。s t r o o k 等1 设计了一种不对称、相互错开的人 字形结构混沌微混合器( 圈l 一2 2 ) ，这种倾斜、不对称的结构会对低雷诺数流体 产生各向异性的流阻，使流场产生横向的速度分量。整个流场在通道中里旋转形 的流线，使流体的混合得以加强，这种混合器可以在低雷诺数下取得较好的混合 效果。 “ j酶，翻 b 、d 。删口 1 m q c i o i 、1w d o 2 1 。lb 邋鬯剑一 1 i i 图l 一2 2 交叉人字形混沌微混合器“” 注入式微混合器是将其中种流体分解成多股微流体后注入到另一种液体 中，增大流体间的接触面积、减小扩散长度，实现流体问的充分混舍。m i y a k e 等1 设计了一种带有微型喷口阵列的微混合器( 图1 - 2 3 ) 。试剂的入口存在一个 混合区，底部有间隔为1 5u m 的4 0 0 个微型喷口，通过这些喷口，上面的样品被 注入到下面的试剂中，形成多个微小的喷流( 喷流阵列) ，可大大增大流体间的 接触面积，实现高效混合。 液滴式微混合器1