（机械电子工程专业论文）微观粒子图像测速仪测量微管道中的电渗流.pdf

中文摘要 摘要 微尺度的具有机械结构的器件，近5 0 年来越来越受到工业界与科学界的重视。 高速发展着，并且已成功用于商业化的半导体工艺，极大程度上将人们原先的对这种 微器件的设想变成了现实。从而，微机电系统、全微分析系统、和芯片实验室等新概 、 念先后被提出。基于这些概念，很多器件的原型在实验室中被开发，来实现原先无法 由常规设备实现的功能，或取代常规的那些昂贵的，难以维护的，低效率的仪器。与 此同时，常规尺度下的物理效应在微尺度下的偏离或不适用，使得人们对微观现象进 行理论与实验两个方面的不懈探索。其中，微流控技术研究微尺度下的流体物理或化 学的特性。作为一种能潜在解决化学或者生物学课题的技术，微流控技术得到了国内 外学者的极大关注。 电渗，是微观尺度下电中性的液体微团受到管壁附近双电层中离子化的液体微 团的拖动，在外加电场下定向迁移的物理现象。本文首先使用微观粒子测速仪测量 了微直管道中的电渗现象，通过流场中平均速度与外电场的关系间接测量了管壁的 z e t a 电势，并将之用于数值模拟另一组实验测量了十字交叉管道中电渗流的控制， 对比于建立的电阻模型，发现电渗流流量比例与相应的施加电压比例有着近似线性 的关系，得到了一个可以线性控制流量比例的微流器件原型。 对电渗现象的进一步研究，需要更高精度的实验手段。微观离子图像测速仪作为 微观流场可视化和测量的一种手段，近l o 年来，在处理算法上得到了相当的发展。 本文首先建立了m i c r o 。p w 光学系统的衍射模型，模拟散布示踪粒子的流场图像，并 实现了基于单像素整体互相关算法与它的改进算法双向单像素整体互相关算法，它 们克服了传统互相关算法无法精确处理具有较大速度梯度流场的缺点，最大程度提 高了速度矢量密度。 本课题受到国家自然科学基金资助( 5 0 3 3 5 0 1 0 ) 。 关键词：电渗、微观粒子图像测速仪、单像素整体互相关、双向单像素整体互相 关、微流控技术 英文摘要 a b s t r a c t m i c r o - s i z em e c h a n i c a ld e v i c e sa r eb e c o m i n gm o r ec r u c i a lb o t hf o ri n d i l s t r ya n da c a - d e m i cr e s e a r c h t h ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) t e c h n o l o g y , w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e da n dc o r n - m e r c i a l i z e ds u c c e s s f u l l y , g i v ea l la p p r o a c ht ot h er e a l i z a t i o no f p e o p l e so r i g i n a li m a g i n a t i o n a b o u tm i c r o - m a c h i n e dd e v i c e s f r o mt h a tt i m e ，c o n c e p t sl i k em i c r oe l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) ，m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e mm t a s ) ，o rl a bo n a c h i ph a v eb e e ne x t e l l - s i v e l ym e n t i o n e d o n t h eb a s i so ft h e s er o u g hi d e a s ，l a r g ea m o u n to fm i c r o - s c a l e dd e v i c e s h a v eb e e ni n v e n t e dt oa c h i e v en o v e lf u n c t i o n st h a tc o n v e n t i o n a le q u i p m e n t sc a n n o ta c h i e v e , o rt or e p l a c et h e s ee x p e n s i v e , m a i n t e n a n c e - i n e f f e c t i v e , o ri n e f f i c i e n td e v i c e s m e a n w l l i l e p h y s i c a lp h e n o m e n a i nm i c r os c a l ea r eu s u a l l yd i f f e r e n t ，o ru n a v a i l a b l ec o m p a r i n gt ot h e s e u n d e rn o r m a ls c a l e ，w h i c ha t t r a c tp e o p l et of i n dn e wd i s c o v e r i e si np r i n c i p l eo ru n d e re x - p e r i m e n t mi n v e s t i g a t i o n a m o n gp l e n t i f u lr e s e a r c h , m i c r o f l u i d i e si sf o c u s i n go np h y s i c a lo r c h e m i c a l p r o p e r t i e so f f l m di nm i c r os c a l e a s ap o t e n t i a ls o l u t i o nf o rc h e m i c a lo rb i o l o g i c a l c o n u n d r u l n i th a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e dd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d e l e c t r o - o s m o s i s , o re l e c t r o - o s m o t i cf l o w ( e o f ) ，i st h ep h e n o m e n o nt h a ti o n i z e dl i q u i d l o c a t i n gi nt h ee l e c t r i cd o u b l el a y e r ( e d l ) d r a g st h ee l e c t r i c a l l yn e u t r a ll i q u i du n d e ra p p l i e d e x t e r n a le l e c t r i cf i e l d i nt h et h e s i s , e o fi nas t r a i g h tc h a n n e li sm e a s u f e 击z e t ap o t e n t i a l i so b t a i n e di n d i r e c t l ya n du s e di nf o l l o w i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f u r t h e re x p e r i m e n t sa r e c o n d u c t e dv i aac r o s s - s t r a i g h tc h a n n e l l m e a rc o n t r o l l e dp r o t o t y p eo fm i c r o f l u i d i cl r a n s - p o r t e ri sd e m o n s u a t e dv i ae o f i nac r o s s s t r a i g h tc h a n n e l f o ri n - d e e pi n v e s t i g a t i o n ，a d v a n c e de q u i p m e n t sa r er e q u i r e di ne o fe x p e r i m e n t m i c r o p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ( m i c r o - p i v ) i st h em o s ts u c c e s s f 诅t o o l sf o rm i c r of l o wv i s u a l - i z a t i o na n dm e a s _ i l r e m e n tp a r t l yb e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to fc o r r e l a t i o na l g o r i t h m 1 1 1 t h i st h e s i s ，d i f f r a c t i o nm o d e l i n gf o ro p t i c a ls y s t e mo f m i c r o - p wi si n v e s t i g a t e df o rd e t a i l e d s i m u l a t i o nb ym o n t ec a r l om e t h o d s i n g l e p i x e le n s e m b l ec o r r e l a t i o n ( s p e 6 3a l g o r i t h ma s w e l la sb i - d i r e c t l o n a ls i r l g l ep i x e le n s e m b l ec o r r e l a t i o n ( b i - s p e c ) a r ed e v e l o p e df o rd e a l i n g w i t hf l o wf i e l dw h i c hc o n t a i n sl a r g eg r a d i e mv e l o c i t i e s m e a n w h i l e , s i n g l ep i x e lr e s o l u t i o n i e t h em a x i m a ld e n s i t yo f v e l o c i t yv e c t o r si so b t a i n e dv i as p e ca n db i s p e ca l g o r i t h m t h i sw o r kw a ss u p p o r t e di np a r tb yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 0 3 3 5 0 1 0 ) k e yw o r d s ：e l e c t r o - o s m o s i s ，m i c r o - p i v , s p e c ，b i - s p e c ，m i c r o f l u i d i c $ 插图索g 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 插图索引 微型化技术的革命2 o d d y 等人【2 1 】使用粒子迹线测速仪测量正弦电压驱动的电渗流4 s i n t o n 等人瞄】测量的直径1 0 0 9 i n 毛细管中的电渗流( ( a ) ( c ) 分别施加 5 1 5v r a m 电场) 5 s a n d i a g o 等人【2 3 1 测量红细胞周围的流场5 c u m m i n g s 等人【2 力在实验中使用三台c c d 和l e d 光源测量微流场6 k l a n k 等人【2 8 】使用立体m i c r o - p i v 重建三维流场7 i s m a g i l o v 等人f 3 0 】重建t 型通道中的三维流场7 具有周期性导流结构的微混合器 3 1 3 7 双电层体系示意图1 0 电势分布的解析解1 2 塞状的电渗流流形1 3 电渗实验设置1 4 直管道中的电渗流1 6 平均速度矢量与电场强度的线性关系1 7 极化粒子的团聚现象( 灰度图像被反色处理) 1 7 交叉处示踪粒子图像( 灰度图像被反色处理) 1 8 十字交叉管道中的电渗流1 9 a - a ，刨面的速度标量2 0 十字交叉管道的电阻网络模型模型2 l 十字交叉管道出口流量比例2 l m i c r o p w 与p 1 v 记录示踪粒子的不同方式2 2 m i e r o - p i v 系统2 3 无限远光学系统2 3 f r a u n h o f e r 衍射2 3 f r a u n h o f e r 衍射的光强分布函数2 5 模拟过渡曝光的f r a u n h o f e r 衍射图样2 6 无限远光学系统的非f r a u n h o f e r 衍射2 6 衍射空间坐标系2 8 光轴刨面上光强场分布3 l 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 焦平面附近的光强分布3 2 固定像距的光强分布( 1 3 = 1 5x1 0 - 4 , y = 2 1 0 - 4 ) 3 3 固定像距的光强分布( 卢= 1 5 1 0 一，y = 2 1 0 _ 4 ) 3 4 模拟c c d 采样不同大小的示踪粒子图像( 酩= o ) 3 5 模拟c c d 采样不同酩值的示踪粒子图像( p = 1 4 ) 3 6 c c d 采样的离散误差扩= 1 4 ，酩= o ) 3 6 二维与三维运动示踪粒子的模拟连续曝光图像( 除酩外，坐标轴单位 均为像素) 3 7 低浓度示踪粒子的单粒子跟踪算法3 9 高浓度示踪粒子的模式判别4 0 标准两帧互相关算法与单像素整体互相关算法4 3 壁面驻点附近的流场4 5 s p e c 算法计算像素( 3 2 ，l o ) 处的相关峰4 5 s p e c 算法计算像素( 2 0 ，2 0 ) 处的相关峰4 6 s p e c 算法重建的6 4 5 8 个位移矢量场与模的云图( 坐标轴单位均为像 素) 4 9 标准互相关算法重建原流场( 判读区域取1 6 1 6 像素) 5 0 f f t - c c 与s p e c 算法计算驻点流场的精度对比5 l s p e c 算法在边界处的互相关函数5 2 互相关矩阵的坐标映射( 采样按，z ，形顺序采样) 5 5 使用9 点方法采样完整与不完整互相关峰5 6 四种插值方式的比较5 7 模拟不同剪切率的流动5 8 f f t - c c 与s p e c 重建, , 6 4 = 9 6 4 的剪切流5 8 不同剪切率下f f t - c c 与s p e c 的r m s 误差5 9 b i s p e c 算法原理6 l b i s p e c 算法计算的互相关峰6 2 s p e c 算法的边界选择性与三种边界处的互相关峰( 被峰值归一化) 6 4 s p e c 、逆向s p e c 与b i s p e c 重建的流场( 使用1 0 0 0 0 帧粒子图像) 6 5 s p e c 与b i s p e c 的r _ m s 误差6 6 表格索g 表格索引 表1 1电渗流可视化技术4 表2 1双电层厚度的解析值1 l 表3 1部分符号定义2 7 表3 2 中央光强与彤关系( j b = 1 5 1 0 - 4 , y = 2 1 0 - 4 ) 3 3 表4 1互相关函数的映射关系5 7 i x 第1 章引言 第1 章引言 本章简介：本章介绍了微流控系统提出的背景，指出了电渗流是微流控领域的一 个重要研究内容，综述了当前研究流体的微流动特性的实验手段，最后概述了本文内 容。 1 1 微型化的挑战 在2 0 世纪初，电子工程师们遇到了一个共同的难题：使用独立的真空管来构建 复杂的逻辑电路时，整个系统将不得不变的非常庞大，而且制造成本也惊人的高昂， 更不用提及正常维护的成本和可行性。1 9 4 6 年，第一台计算机e n i a ci ( e l e c t r o n i c n u m e r i c a l i n t e g r a t o r a n d c o m p u t e r ) 由物理学家j o l l nw m a u c h l y 和电子工程师j o h np e c k e r t 在p e n n s y l v a n i a 大学发明，它由1 8 ，0 0 0 个真空管组成，分为3 0 个相对独立的 单元，占据1 8 0 0 平方英尺的空间，耗能1 7 5 千瓦。1 9 4 7 年b e l l 实验室发明了晶体管 来取代电路中的真空管，但面对大规模的复杂电路，连线的排布和检查成为了非常棘 手的问题。若千年后，集成电路诞生了。通过在半导体衬底上制作所需的全部部件， 人们已经不需要手工排制线路。到了7 0 年代，大规模集成电路的问世，将成千上万 的晶体管集成在一个芯片上，实现了不可思议的计算能力。 微流控技术，研究特征尺度在微米直至纳米量级的流体的流动性质，ps d i t t r i c h 和a n d r e a sm a n z 1 1 准确描述了微流控技术的概念： ”微流控技术着眼于研究微流体芯片中流动现象的各种实验与理论的研究 手段，包括芯片加工、封装与实际用途。” 类比微电子技术对电子工业的革命，微流控技术不仅研究流体( d 在微米甚至更 小尺度下的物理或化学性质，还研究如何提高流体系统( 包括进样、流体的驱动与控 制、电化学或光学检测系统、信号存储和传输、废料的收集等) 的集成度和自动化程 度。特别是在生物学和化学领域，它已经开始在生物化学分析仪器的微型化、集成化 和便携化方面展现巨大潜力，包括生物分子分离【工3 】，酶检测【4 ，5 】，和遗传杂交反应【6 1 等，不仅节约了分析的时间，成倍提高了效率，而且节约了人力和昂贵的试剂。更为 重要的是，这种微型化、集成化的技术，能将原本只能由财力雄厚的机构才能负担的 起的设备，带进千家万户，进而改变人们的生活方式正如图1 1 中展现的，微电子 技术将e n i a c 带上了每个人的桌面。在未来，微流体技术也可能将昂贵的生化分析 包括气体，液晶以及微观流体中的固体颗粒 、 第l 章引言 图1 1 微型化技术的革命 仪器，如p c r 仪。缩小至芯片大小，带进每个人的家里，实时检测人体酶的变化以供 医学诊断。 与微电子技术一样，微流控技术的初衷在于最大程度的集成化和自动化，但它也 与微电子技术有着内在的两点区别： ( 1 ) 物理学的尺度效应在微流体中表现的更强烈微电子工业在蓬勃发展 了5 0 年后，随着微处理器晶体管尺寸的不断减小o ，如今才遇到物理上的尺度效 应一从经典理论转向量子理论。与之相比，微流体系统更容易遇到尺度效应。举一个 非常熟知的例子，在宏观尺度的流体中，惯性力往往处于主导作用。而在特征尺寸为 l # m 至5 0 0 9 m 的微流控器件中，质量的传输主要受到流体粘性力的支配。在更小的 纳米尺度，我们还需要考虑物质连续性。的假设是否成立。 ( 2 ) 微流控器件的设计周期远大于i c 设计周期标准化的工艺使得i c 设计者 只需关心工艺的组合，而无需解决具体的工艺闯题。另外，成熟的计算机模拟系统， 使得i c 设计得以在原型器件加工之前对细节设计加以改进。这两个优势大大缩短了 i c 设计的周期和成本。与之相比，一个微流控系统的设计者，面对标准化的工艺无法 实现，或满足制造的要求时，只能求助于非标准化的工艺。解决了工艺问题后，微流 。聚合酶链式反应仪 分辨率为o 1 3 微米的硅工艺已经广泛使用 。物质的连续性由k n 致袁征 2 第1 章引言 控系统的复杂性又让计算机模拟环节难以进行因为一个微流控系统往往包括流体 系统、控制系统和检测系统，它们的耦合不仅极大增加了计算机模拟的时间，也降低 了模拟结果的可靠性。这样一来，设计者只能在加工后的检测环节，才能对细节设计 做修改。 以上两因素，尽管阻碍着微流体器件的研究与商业化，但人们并没有止步不 前。m e m s 技术的发展，实现了高集成度的具有复杂结构的微流体芯片，其微管道的 特征尺寸往往在百微米或更小【7 8 】。微流控系统在物理学【9 , 1 0 、生命科学1 3 1 的基础 研究中扮演了重要角色。 总之，微流控技术是一个高度学科交叉的领域，它立足于微加工技术，着眼于生 命科学、物理学、化学等基础领域，是一片具有广阔前景的新领域。它在发展中还需 要更多的基础理论来深入理解和掌握物质在微米尺度流动状态下的行为。这对相关 研究提出了新的挑战。 1 2 电渗与流场可视化测量技术 1 2 1 电渗 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。目前，有关的研究很活跃，各种基于不同驱 动原理的新方法层出不穷。电渗驱动属于致动力直接作用于流体的驱动方式。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。电渗现象在1 8 0 9 年由俄国科 学家r e u s s 在多空黏土中观测到。1 8 7 9 年，h e l m h o l t z 发展了双电层( e e l c l r od o u b l e l a y e r , e d l ) 理论解释了电渗现象。近年来，人们使用各种微流场的可视化技术，研究 电驱动的微流以及电渗压力联合驱动的微流m o l h o 等人【1 4 1 发现了焦耳热和相应 的流体粘度的改变对流动的影响。d l i 小组【1 5 】使用基于荧光的热量仪对电渗焦耳效 应做了实验测量。p a u l 等人【1 6 】用紫外线激光脉冲测量了类似条件下的电渗流h e r r 等人【l7 】测量了在表面电荷非均匀分布的毛细管中，电渗流的速度分布。j a c o b s o n 等 人【l8 】研究了并行和串行的微流体管道中的电渗微混合机理。g l a s g o w 等人【1 9 1 使用交 变电流增强t 形微混合器的效能。p o i s o n 与h a y e s 【2 0 】通过一系列实验实现了电渗流 的控制。 1 2 2 流场可视化测量技术 伴随电渗理论的发展和电渗的应用，电渗流场的可视化测量技术也不断进步：人 3 第1 章引言 表】1 电渗流可视化技术 名称工作原理描述 激光多普勒测速仪( l d v ) 粒子图像测速仪( p i v ) 粒子轨迹测速仪( p 1 粒子迹线测速仪( p s v ) 流动标量测速仪( f t v ) 激光诱导光化学测速仪( l i p v ) 远红外线粒子图像测速仪( m - p i v ) 利用高反光粒子的多普勒效应 统计判读区域的粒子群平均位移 对单个粒子轨迹跟踪 对粒子运动做连续曝光 使用荧光素显示流动流形 用激光束对光敏荧光素切片显示流形 使用发射波长在远红外波段的粒子 们将用于宏观测量的手段( 如p i v 、p t v o ) 用于微观测量。同时，基于新原理的技术 也被发展起来。表1 1 列举了测量电渗的可视化手段。其中，激光多普勒测速仪是 最早使用的测量微流场的工具。粒子轨迹测速仪将一端时间内的粒子轨迹记录为一 张图像，从而揭示流场的结构。图1 2 是粒子轨迹测速仪记录的4 9 0 n m 示踪粒子在 2 5 v m m ，2 0 0 r r a m 电场下电渗流中的轨迹。2 5 v m m 电场下，示踪粒子沿电场方向 运动：2 0 0 v m m 电场下，示踪粒子表现出不稳定运动。f t v 中使用带有化学功能团的 荧光分子，其中功能团将分子的荧光性遮蔽起来。当受到外部的电磁辐射( 波长小于 3 6 0 n m 的u v 光线，或者3 5 5 n m 的n d ：y a g 激光) 的作用，这种功能团的化学键将与 荧光分子断开，恢复分子的荧光性。之后再采用波长较长的激发光记录分子图像( 如 图1 3 ) ( a ) e = 2 5 v m m ( b ) e = 2 0 0 v m m 图1 2o d d y 等人1 2 1 1 使用粒子迹线测速仪测量正弦电压驱动的电渗流 s a n d i a g o 等人1 设计并实现了第一台m i e r o - p i v ，能获得每帧具有1 0 0 0 个速度 p a r t i c l et r a c k i n gv d o e i m e n y ，粒子跟踪速度仪，也有学者认为其为p 的一种 4 第1 章引言 t 矗) 量 v e l o c n yi m m $ 图1 3s i n t o n 等ae 2 ：1 测量的直径1 0 0 # m 毛细管中的电渗流( ( a ) - ( c ) 分别施加5 1 5v m m 电 场) 坤钓1 i i 埘 图1 4s a n d i a g o 等人1 2 3 】测量红细胞周围的流场 矢量的微流场信息，矢量间距6 9 # m 。该系统使用荧光增强的c c d 来记录3 0 0 n t o 的 聚乙烯荧光粒子，激发光源为汞灯。图1 4 为该系统测量的一个直径3 4 # m 红细胞 周围的流场，并对流场插值得到规则矢量。该小组还使用p t v 算法测量湿法刻蚀的 玻璃管道的电动力现象，并在模拟分析中考虑了电渗流定向移动产生的压力梯度问 题【2 4 1 。 m e i n h a r t 等人【2 5 】改用n d - y a g 激光器，激发波长为5 3 2 n m ，使用2 0 0 n t o 的荧光 s 第l 章引言 图1 5c u m m i n g s 等人【2 7 】在实验中使用三台c c d 和l e d 光源测量微流场 粒子测量了r e 1 的微管道流动。k i h m 小组1 2 6 j 测量了p d m s ( 聚甲基硅氧烷) 材料 的t 型通道中的电渗流。c u m m i n g s 等) l t 2 7 1 改用蓝光l e d 作为激发光源，使用三台 c c d 采集图像( 见图1 5 ) 。c u m m i n g s 还引入了理想龟渗的概念，即在一定条件下， 电渗流具有独立于胎数而正比与电场的特性。 微流场的三维重建，作为一种更复杂的技术，也得到了一定的发展。k l a n k 等 人【2 8 j 使用焦深为1 0 u m 的立体m i c r o p i v 测量了2 9 7 0 1 4 7 5 6 7 0 # m 3 的罩状结构 中的流场。不同于测量宏观流场的立体p w 2 9 1 使用的全息技术，m i c r o - p i v 通过对 流场切片测量而得到三维重建，切片间距最小为显微镜头的焦深。i s m a g i l o v 等人【3 0 】 使用激光扫描荧光共聚焦显微镜( l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a lf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p y , l s c f m ) 重建了t 型汇流管道中，二个支流的交汇面随管道的发展，如图1 7 图 1 7 ( a ) 中，含有f l u o - 3 荧光微粒的溶液由t 型通道左支通入，含有c a c l 2 的溶液由右 支通入，二者一定浓度的混合能产生荧光；图1 7 ( c ) ( d ) 为图1 7 ( b ) 截面处的图像。从 图1 7 ( c ) ( d ) 可知，流场无滑移的边界条件使得p c 数( p & l e tn u m b e r ) 在靠近管壁处较 小，而在靠近