（应用化学专业论文）微流控分析芯片的制作及流控特性研究.pdf

ab s t r a c t inthe th e si s ， th e c o n c e p t i o n ， adv aj l ta g e a ll d l 画t at i o n o f th e m i c rofl u i d i c c o n trol l i n g 助a b 哟 c a lc h i pwerei 川 r o d u c e d ，a n di 川 e r n a 】即dovmeas l s earc b物由 份 s u m m耐z ed the n l a i n works and ac址 eveme n t s are pre sen ted asfou o ws. ( l)t h efa l ri c a t i on of th egl 姗 m ic 功 fl 正 di cc o n t r o ll in ganal 州c al c 场 p sw a s i n 廿 o d u c e din d e t a i l ，初云 比 incl 园ed the se l即ti on o fm 目 i e ri 斑 5 ， th e北si gn of t h e m i c r o s truc tu r e ， th e 叩ti c 司l i th o g 叩 hv， th e wet ch e m i c alet c hi n g and th e fi nal b o ndin g . s ev e r a l m aj or fa c 扔 r sw h i c ha 月 笼 c l 奴 d c 址 刀 gw e r ec o n l p a r ed andana b ，欢 d . t 七 e c o ndi t i o nso f th e et c hj 刀 g wereop幼 n l i z e d . t 脚 o bondi ngt e c hno l o gi 。 、 for l o w怡 m p e r a t u r e orro o mt e m p e r a tu r ew e r el n t r edu c e dinto此 ex p e 石 m 呱sp r i m 仍l tech n o l o gi esfor fab成atingt b e gl ass 而c 拍fl u i d i c c o n t o l ling a 幻 a 】 yt i阔 面pswe邝即 址 eve d，w h i chc anbe 叩p l i edi n the g e n e r a l l abo r at o ri e s (z) t b e e 比 c t i o ki n e t i 。 面v 山 9 胶ory of此 hacro 加idinth e m i cro n ul di c 。 皿廿 。 111 叩 anal ytic al c b 如was i n t r o d u c e d . b as e d o n the 田 l a 】y s i s o f thc th eo ri e s o n the e l e c t r i c d o ubl e l a y e r(ed l )明de 1 e c troo s m o s i sfl o w 此 t wo d 如e nsio nal e l e c 仃 。 k i n 毗cdr i v 访 9 m 川 卜 e n l 丽c m o d el叮而c ro月 u i d w a s e s ta b l i s h e d ， 创 、 d 触 s t a b l e 明 习 yt icso l uti姗 of伽 p o i s s o n 一 b o l 七 业 n a n ne q uati o nandthe n a vi e r 一 st o k e sequati o nwere d e d uce d .几e d e c 如。 smoti。 即抚 n t l aifield，the n e a r . w a l l p o t e ll t i al址ld ， the el “ t r o . 0 s m 0 6 o fi ow r a t 。 ， 汕 d 此 s hears 七 ssonth e s u d 盏 c o of脉 w 目 l w e r e s 加ul ated bym a t l abso ft w ar e . t 七 。 re l atio n s o f th e ab o v e i n v o s t i g at e d o bj e c ts wi thi o ni c e n er gyp ar 别 旧 eter a an d 此 v 颐ab l e 夕 w e 代a n . l y z e d re s p e c t i v e ly，w 拍 chd e m o 洲r a 把 d the v a u d ityof此 。 le ctro k i o e t i c 如vi ng th e o 移 (3 )丁 七 es e lf-m adegl ass 面cro fluid 沁c 。 以 m l l 运 gana 扣喊 c 扬 p sw e r eu s e dto in 相s ti g a t e th 。 化 1 涌。 ns h ip b e 朴 胃 e e n th e m i cto fl u i d n o wrate 即 d the 亡 x t e rn a l v 0 1 ta g e in the m i cro c l划i n e 1 withdi ffer ent e qulv al e niwid th . b as edo n th e c o m p ar a t l v e a na】y s i s o f the n o w石 日 dsinthe 丽的 c h m n o 1 o f t- 1 冲e an d c r 始 5 妙 5 即e ， 阮 川ations o f 伽 di s tr i b ot i on o f th e fl ow 五 e l d to此 e xtem alv o l tage ， the s u p e ri 口 pos e d e l e c tri c 一 6 e l d ， th e di s taneefromthe el e c 汀 o d e，an dth e s ta 奴 巧ofthe el e c l 阳 d e w i t ha p p l ie d vol t a g e w 亡 r e summ面ze d 犯 s p ecti vel 丫 k ey wo rds : g l as sm i cr ofl u i d i ccon tr o l l in gan al yt i c alc hi p ， el e c trokjne ti c面v in g ， sil n u l a 石 。 氏no w犯 t 已 习 n d f10 wfi el d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名 瑰 杭 夕 公 裤 了 月了 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 译 长 侃 .口 口 口 了 年了 月了 日 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 1绪论 1 . 1引言 随着科学技术的不断发展， 人类需求的不断提高， 微型化、自 动化、 快速化与便 携化成为了新一代分析测试技术总的发展方向。20世纪90年代， 梅n z 和widmer首 次 提出 了 微型 全分 析系 统( m ha at unze d total内 l a ly siss ys te m ， 扒 认5 ) 的 概念 111 ， 在 此之后的十余年，以 微流控分析芯片为核心的研究工作蓬勃发展起来. 传统的化学实验室， 需要有较大的空间、 多种的仪器以及专业的操作人员， 在应 用范围上具有很大的局限性， 而微流控分析芯片的使用不需要专业的知识与复杂的操 作， 可广泛应用于许多领域， 如: 疾病的早期诊断与临床监测、 新药物的研发、 环境 监测与控制、 食品安全检测、 有毒物质的制备及检测， 可大大促进分析测试技术的普 及， 进而实 现其最终目 标 实验室的“ 个人化”、 “ 家用化，o 光刻、 激光直写技术、 微接触印 刷法等微细加工技术的不断进步， 为微流控分析 芯片的实现提供了技术支持， 但是， 在其发展过程中还存在很多困难。 如: 传统的微 流控芯片制作方法要求超净环境， 复杂的芯片加工设备与技术，以 及烦琐的、 成功率 不高的高温键合程序，成本昂贵、条件苛刻，在普通实验室中难以实现:试样引入、 换样、 前处理、 封装、 与其他外部设备的接口、 降低成本等都是微流控分析芯片发展 过程中的制约条件， 微尺度下流体的传质、 传热、 边界条件等理论的研究也不够深入。 鉴于其广泛的用途、 巨 大的经济效益以 及广阔的研究空间， 微流控分析芯片在将来很 长一段时间都将成为 p t as的热点. 本课题属于微机电 系统 ( m 明5 ) 、流体技术、化学等交叉领域，是应用化学的一 个新的发展方向。本教研室从2 0 01年开始火工芯片的快速成型技术研究，已制造出 火工阵列的 试验样机， 完成工程化的 微型火工推动器单元的芯片研制和工艺研究， 进 行了火工品喷墨快速成型技术的初步研究，在军用m e 鹏方面已取得了一定的研究成 果， 具备微细加工技术、 快速成型技术和激光测速技术的 支持。 本文的主要工作是 完 成微流控分析芯片的 普通实验室制作， 建立微流体的 动电 驱动模型并进行仿真分析， 最后使用自 制的微流控分析芯片对微流体的动电特性进行相应的实验研究。 1 ， 2微流控分 析芯片 概述 微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、 微泵、 微阀、 微储液器、 微电 极、 微检测元件、 窗口 和连接器等功能 器件像集成电 路一样集成在芯片材料( 基片) 上的 微全分 析 系统冈 。 通过 微通 道中 流体的 控 制把整个化学实 验室的功能， 包括采样、 预 浓集 ( 稀释) 、加试剂、反应、 分离、检测等集成在邮票或信用卡大小的芯片上，因 此微流 控分 析芯 片又被通 俗地 称为“ 芯片实 验室” (l 汕一 on 份 c h 功， l 戊) i3) 。 1 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 1 . 2 . 1分类 由于微流控分析领域正在迅速发展中， 故根据其芯片材料和功能进行初步分类 14 : ( 1 )根据芯片材料的不同可分为: 硅芯片; 玻璃芯片; 石英芯片; 高聚物芯片: 硅一 玻璃、硅一 石英、玻璃一 高聚物等复合材料芯片。 (2)根据功能不同可分为: 高分辨分离芯片; 微采样 ( 进样) 芯片 微检测 ( 传感器)芯片: 细胞分析芯片: 前处理芯片; 化学合成芯片; 多功能集成化芯片。 1 . 2 。 2优点 ( 1) 具有极高的效率。许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内自 动完成测定、 分离或其他更复杂的操作。 分 析和分离速度常高 于相对应的 宏观分析方法一至二个数 量级: (2 )试样与试剂消耗量少， 这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗， 也减少 了 环境污染: 、( 3) 使得将多个部件与功能集成在数平方厘米的芯片上成为可能。 在此基础上易 制成功能齐全的便携仪器， 用于各类现场分析; (4 )微小的尺寸使得材料的消耗甚微， 有利于成本的降 低田 。 1 . 2 . 3局限性 微流控芯片发展中存在着一些不利因素， 主要 有以 下几个方面: ( 1) 虽然微流控分析芯片己 经取得了 不少的成就， 但是其在总体上既不够“ 微气 分析功能也远达不到 “ 全” 。 主要原因是集成度不够高，多 数检测器的体积过大，实 现集成化还有很长的路要走: (2 )在目 前加工条件下微流控芯片制作的成本还难以 满足有关成果推广应用的 要求。 一块供研究用的标准玻 璃芯 片价值1 00 2 00美元， 一 块供分析12个试样的一 次 性专用芯片售价10美元; (3 )当前报道的大部分微流控分析系统不包括试样的前处理功能， 且与宏观系统 的 接口 问 题没有解决， 这方面的 研究尚需在应用领域的实用过程中 大大加强14.5 气 硕士论文微流控分析芯片的制作及流控特性研究 1 . 2 . 4发展趋势 大多数专家预测，微流控分析芯片在今后的发展趋势如下: ( 1)分析成分的多样化; (2 ) 制作基材的多样化; (3 ) 研究方法的多样化; (4 ) 系统的微型化与集成化; (5 ) 普通商用与特殊军用系统共存。 1 ， 3微流控分析芯片的发展简史 微流控分析芯片的出 现是现代分析科学与分析仪器向自 动化、 微型化方向发展的 必然结果。 2 0世纪 50 年代后期、 s k e g g s创始的间隔式连续流动分析 ( se脚e n t e d c o n t i n u o u sf l o wan a l y s i s ， s c f a ) 正 是 这一 趋势 有代表性的 成 功范 例16 。1 9 7 5 年 r u 么 i c ka与h a n s e n 基于s c fa的 成功与局限，提出了 流动注射分析 ( f l o wi n j e c t i o n anal y si s ， f i a) 的概 念 门 ， 大大 提高了 分析速 度并 促进了 分 析系 统的 微型化. 1 9 79 年， 美国 的 斯坦 福 大学 成 功 研 制了 世 界 上 第 一 个 微 流 体 装置 18) ， 为 今 后 微流控 技术 的 发 展 积累 了 经 验。 1 9 9 1 年m a n : 和w i d 脱 r提出 了杯 认5 的 概念 ， 随 后，以 毛 细管 电 泳分离 技术的迅速崛起为契机， m anz 与h 田 rr i s on合作发表了 首篇在微加工芯片上完 成的 毛 细 管电 泳分离论文9.1 01 。 此后， 研究的 重点 迅 速 地转向 基于m e m s 技术的 平板 玻璃或石英芯片上渗驱动的毛细管电 泳分离微流控系统。 早期从事微流体分析系统的 实 验 室 主 要 有以 下四 个: m a ll z ， h a r r i s o n ， r ajns e ; ， 从 a t h i e s 。 19斜 年开始，美国一些著名大学研究组介入该领域，使其发展迅速出现高潮。 1 9 94年， 美国 橡树 岭国 家 实 验室 以r 二 s ey为首 的 研究 组 。 j在随 n z 的 工 作基 础上 ， 改进了 芯片毛细管电 泳的进样方法， 提高了 其性能与实用性，引 起了 更广泛的关注。 19 9 5 年美国加州大学b e rkeley分 校的瓶t hie s 研究组在微流控芯片 上实现高速d n a 测 序 。 21 ， 微流 控分 析芯 片 的 商 业开 发 价 值 开 始显 现， 而 此时 微阵 列 型 的 生 物芯 片已 进 入 实 质 性的 商 品 开 发 阶 段。同 年9 月， 首 家 微流 控 芯 片 企业cali pe r t e 比 n ol og沁 5 公 司 在 美国 成立。 自1 9 95年开 始， 美国 哈 佛 大 学的w h 主 t e s i d e s 研究 组 11 3 报道了 一 系 列与微流控芯片加工有关的新技术， 大大促进了 这一领域的发展。1 9 96 年 m ath i e s 等又将基因分析中有重要意义的聚 合酶链反应( pcr ) 扩增与毛细管电泳集成在一起， 展 示 了 微 流 控芯 片 在 试 样 处 理 方 面 的 潜 力 14 1 。 次 年， 他 们 又 实 现了 微 流 控芯 片 上 的 多 通道毛细管电 泳d na测序， 从而为微流控芯片在基因 分析中的实际 应用提供了 重要基 础1 几 习 。 随着基础研究的深入， 微流控芯片的产业化进程显著加速。1 9 99年9月美国惠 普公司与c ali p e r 联合研制的首台微流控芯片商品 化仪器 “ a g l i e nt2 1 00生化分析仪” 3 硕士论文微流控分析芯片的制作及流控特性研究 开始在欧美市场销售， 至2 0 01年8 月已 可以 提供用于核酸及蛋白 质分析的5 一6 种芯 片116 1 。 此后不久，日 立公司和岛津公司 也有微流控生化分析仪器推出。 美国国防部高 级研究计划局对m 即5 的市场分析及对未来的预测表明，在未来的几年里，微流体机 械的 市场分额将占 整个m e m s 市场分额的一半以 上， 全球基于微流控技术产品的年利 润以2 。 % 的 年 增长 率 迅 速 突破了15 。 亿 欧 元 117.1 气 拍 叭年首届p 认5 会议在荷兰enche d e 举行， 与会人数只有1 60人;到2 0 00年 5 月的 第四届时， 就己 经增加至6 00多人; 仅相隔 一年多， 第五届林 认5 会议又于2 0 01 年10月 在美国m ont erey召开， 预示着微流控分析芯片一个更大的发展高潮已 经到来。 由 著名 的 英国 皇 家化 学 会主 编， 以 芯 片 实 验 室 ( 1幼ona 南p ) 为 名 称的新 学 术 季 刊已 于2 0 01年 创 刊， 它 作为 一 个 专门 的 学 术 论 坛 促 进林 狱5 和 微流 控 芯片领域 的 发 展. 美国、 日 本、 欧洲各国都对微流控芯片的 研制投入了 大量的资金和人力， 也取得 了不少的成果， 商品化的微泵、 微分析芯片都可在市场上购买到。 我国在此方面的研 究较国 外晚了4 一5 年， 但在多个相关学科 领域都具有足够的积累与 优势。2 001 年5 月召开了专门 讨论 “ t as发展的165 次香山 科学讨论会。 之后， 即启动了国家基金委 21世纪的第一个基础研究重大基金项目“ 微流控生化分析系统的基础研究” ， 标志着 微流控分析系统在我国的发展进入了 一个新阶段。 2 0 02 年7月在北京召开了首届全 国 “ t a s 学术报告会。国内有许多大专院校、 科研院 所都开展了该方面的研究工作。 自 此以 后， 我国在 卜 t a s 与微流控分析领域与美、 英、 日等先进国家的差距己明显缩 小，但还是存在着较大的 努力空raj。 1 . 4微流控分析芯片的研究发展现状 1 。 4 . 1 制作加工工艺发展现状 传统的光刻技术是 微流控分析芯片加工工艺中 最基础和最常用的。 随着研究的不 断发展，出 现了 激光直写、 压印、 软刻蚀等新兴的 加工方法， 但是， 以 玻璃、 石英为 基材， 以 普通实验室为 研究 环境， 光刻、 湿法刻蚀以 其操作较为方便、 成本较为低廉 的 优势， 在短时间之内，还将长期使用。国内 外对该方面的 研究都有相关报导。 stje rnstroemm等 人 口 91 ， 用hf和h cl的 混 合 液 腐 蚀 玻 璃， 获 得了 较 好 的 表 面 平 滑 度。 林 雁飞 等 人 201讨 论了 玻 璃湿 法 腐蚀的 工 艺 方 法， 通 过 清 洗、 涂胶、 光刻、 腐 蚀 等 工 艺 的 反 复 实 验 ， 制 作 出1 . 8 阿 的 凹 槽。 同 年 ， 他 们 浏通 过 对 反 应 条 件的 进 一 步 优 化 ， 制 作 出2 脚 的 凹 槽， 确 定 了 多 次 曝 光 、 多 次 腐 蚀 的 可 用 性。 黄 腾 超等 人 22 1介 绍 了以k g 玻璃为基体材料m o e m s 器件的 湿法刻蚀工艺， 使用n l 公 f 作为 刻蚀添加剂， 提高了 刻 蚀 速 率， 改 善了 通 道的 表面 质 量。 周 健 等 人 f23 )采用了 几 种不同 的 材料( 光 刻 胶、 cr/ au、 盯 w/ au)作为刻蚀玻璃的掩膜， 通过实验发 现肠 w i au 掩膜相对目 前比 4 硕士论文 微流控分析芯片的 制作及流控特性研究 较常用的c r ) au 掩膜有很多优点， 还研究了 腐蚀液成分配比对刻蚀结果的影响，对 微流体器件的制作具有一定的参考作用。 以 代 替高 温、 阳 极键合为目 的， 低 温、 室 温 键合 技术 也取得了 一定的 进展。 c h i e 印 侧 等人按照一套严格的清洗程序对玻璃基片和盖片进行清洗， 然后在室温下将基片和盖 片 对齐 施加较低的 压力 实 现了 键合。 s ayah等人 1251将清洗后的 基片 和盖片 合在一 起， 在整个表面施加外压， 并持续一段时间， 基片和盖片在特定的温度下得以 键合。 jia z j 等12 司 报道了 一 种简单的 室 温键合 制 作玻 璃 微流 控芯片的 方 法。 1 . 盛 ， 2微流体流控特性研究现状 电 场控制下， 微流体的流控特性主要体 现为动电 效应。动电 效应最早 在 18 09年 由r e u s 砂 2 刀 在 对多 孔 猫土的 实 验 研究中 观 察 到。 1 8 79 年 h el 汕ol t z 发 展了 双电 层 ( e l e c t r i c d o u b l e l a y e r ， edl ) 理论， 将动电 输运中的电 和流动参数联系 起来. v o n s moluc h o w s ki 分析了双电层厚度比通道尺寸小得多的情形，导出了电渗驱动流动的 速 度 滑 移条 件。 1 9 6 5 年r i o e 和w h i t eh e 司 四建 立了 毛细 管电 泳电 渗 流 的 有关 方 程。 1 9 9 3 年a nd re e v 和l i s in lzg 建 立了 一 维 毛 细 管 电 泳 的 数 学 模 型 ， 并 且 研 究了 电 渗 流 模 式 对 分离 效 率的 影响 。 1 9 9 9 年cu oi n g s 等 口 场 电 渗 流 进行了 实 验与 理 论 分析 相 结 合 的研究， 其中运用了片 p l v来获得直通道和两 条微通道交叉处的速度分布。 次 年， 他 们口 还引 入了“ 理 想电 渗 (i de ai el e c tr 0 0 smo 51 5) ” 概 念， 将双电 层外的 流 场在特定的 外 场边 界 条 件 下 简 化为 有 势流 动。 同 时， 价沪21 等 测 量了 具 有非 均 匀 表面电 荷 分 布 的 圆柱毛细管中电渗流的速度和扩散率。 计算 机技术的 发展还为理论 研究 提供了 更 加 便利的 平台。 1 9 98年pal明 k 歇 和枷口 ， 1 采用德拜一 休克尔线性化，对通过两条通道的交汇实现微流体注入进行了数值模拟。 20 00年g ri ffi th s 等 134 模 拟出了 夹 流 和门 式 进 样 操 作中 通 道内 的电 场强 度 分 布。 lm . fu等 哪 1研 究 表 明 流 道 壁 上屯 电 势 的 突 变 对 两 平 行 板 间电 渗 流 的 速 度 和 压 力 有 很 大 的 影 响 . zhen g z1 36 等 研 究了 一 维 情 况 下 多 种 价 位 离 子 种 类 对 离 子 输 送的 影 响 . 我国科研工作者在这方面也做了 很多 工作， 取得了一定的成果。 中国 科学院 力学 研 究 所 非 线 性 力 学 国 家 重 点 实 验 室 1切 对 微 尺 度 流 动 特 性 进 行 了 研 究 ; j ink u w 面 9 等 p 幻 应 用 格子 一 b ol 位 m ann 法 研究了 电 渗 和压 力 驱 动 流 ; 王 瑞 金139) 应 用 有限 体 积 法 对 不同 结 构参数和不同 雷诺数下微通道中 流体的扩散和混合 进行了 数值模拟。 总的来说， 国内 的研究水平还与国外有着较大的差距，需要更多的 研究人员投入到这一领域中 来。 1 . 5本文的研究目 的和内容 1 。 5 。 1研究目 的 微流控分析芯片的 研究需要大量人力、 物力的 投入， 这在一定程度上限制了 其在 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 我国的发展。 本文的主要目的是实现微流控分析芯片的普通实验室制作， 降低其研究 成本， 通过数学模型的建立并结合相应的实验，为今后的研究奠定坚实的基础。 1 . 5 . 2研究内 容 ( 1) 通过一系列的实验摸索，优选出玻璃微流控分析芯片的普通实验室制作工 艺条件，并应用其完成一些玻璃分析芯片的设计与制作; (2)通过对动电效应的理论分析，建立微流控分析芯片的动电驱动模型，进行 求解，并使用计算机仿真软件m a t l a b 模拟分析; ( 3) 应用自 制的玻璃芯片进行动电驱动流的实验研究， 完成直通道流速的定量 分析，并对一些典型微通道结构中的流场进行定性研究。 硕士论文微流控分析芯片的制作及流控特性研究 2微流控分析芯片的制作 微流控分析芯片一般大小约为数平方厘米， 微通道的宽 度和深度为微米级， 在此 尺度下传统的机械加工手段难以满足要求， 因此需要与其相适应的微细加工手段。 早 期主要是对较为成熟的微电 子微加工技术的借鉴，随着科技的发展，激光直写技术、 微接触印刷法等新兴的加工技术， 为复杂微流控分析系统的加工提供了更加丰富的选 择余地。 在众多的加工技术中， 传统的光刻技术以 其操作相对简单， 成本相对较低等优点 占 有中心和基础地位。 微结构的制作通过图形的转移、 显影、 腐蚀三个主要步骤完成. 所形成的微结构有两个重要特征指标， 一是深宽比，二是形状。 在整个制作工艺中， 芯片材料的选择、微通道的设计、 微通道的表面改性及芯片的键合等是关键问题。 2 . 1材料的选择 芯片材料的选择是首先要考虑的问题。 针对分析过程和加工的可行性， 主要考虑: ( d 生物相容性或化学惰性 分析过程中， 材料不能影响分析试剂、药物的化学 性质， 应选择对被分析物是惰性的 材料; (2) 散热和绝缘性 电 泳分析中， 加高压 电 场会产生热量， 高 温或局部高 温都会对分离效果造成影响， 所以 材料应是能承受高 压 且 具 有良 好的 散 热 特性; (3) 优良 的 加工 性 能 大 批 量 生 产以 降 低费 用是料 认5 的目 标之一， 材料具备优良 的加工 性能是提高 成品 率和自 动化生产的前提; ( 4) 光学 特性适应目 前光学检测的要求， 材料应有好的光透性能。 另外还要考虑材料的电 渗流特性、表面可修饰性及可密封性能等. 在p 认5 发展的初期， 单晶 硅是最先尝试使用的芯片基材， 但是随着研究的深入， 人们很快发现单晶硅的介电 性、 光透性及抗腐蚀性能难以 满足化学分析的需要， 使用 的场合渐渐减少了。 近些年来， 聚合物以 其品种多， 价廉， 光学、电 学特性优良， 易加工等优势迅速 地发展起来， 成为一类主要的芯片 材料. 最为常用的 有p m m a( 聚甲 基丙烯酸甲 醋) 、 pdm s( 聚二甲 基硅氧烷) 、 此 ( 聚碳酸酷) 等。 芯片制作多使用热压法、原位注塑 法等，一般都需要先制成微模具。 玻璃和石英弥补了单晶硅在电学和光学方面的不足， 价廉、 易得， 具有很好的电 渗性和优良 的光学性质， 为微系统的故障诊断和光学检测提供了 便利条件， 湿润能力、 表面吸附和表面反应性等有利于使用不同的化学方法对其进行表面改 性， 其耐腐蚀性 也可满足大多应用的需要， 是微流控分析芯片的制作中最常使用的材料， 也常被用于 微 模 具 的 加 工 阳2 . 本课题中选用普通玻璃为芯片 材料， 一方面是由 于其材料本身的 优点， 另一方面 是由 于其应用研究对玻璃芯片及微模具的加工制作具有普遍意义。 7 硕士论文微流控分析芯片的制作及流控特性研究 2 ， 2微结构的设计 根据微流控分析芯片具体要实现的 功能， 综合考虑其柑关 影响因素; 利用计算机 图 形 绘 制 软 件a o to c a d 仆 扭 、 c o 邝 山 门 w 侧等 绘 制图 形， 完 成的 图 形 一 般由 明暗组 成。 设计的具体流程可参照图2. 2 . 1 : 芯片定义( 功能等) 初始设计考虑 结构设计确认 计算机 绘出图形 图2 21微结构设 计流程图 2 。 3玻璃微流控芯片的制作工艺 传统的玻璃芯 片的通用制作法是采用标准光刻将图形转移到玻璃基材上， 进而通 过湿法或干法刻蚀形成微结构， 最后进行高 温键合制成微芯片。 该方法一般要求超净 环境， 昂贵、 复杂的加工设备及工艺， 烦琐、 成品 率低的高温键合程序， 对实验室的 要求相当的苛刻， 成为制约其研究及发展的 主要因 素之一。 本文中 通过实验摸索， 总 结出了 光刻， 结合 湿法刻蚀及室温键合的玻 璃微流控芯片的简易制作方法， 大体流程 为: (a) 在干净的 玻璃基片表面上镀上一层铬， 再用甩胶机在铬层上均匀地涂布一层 光胶; ( b)将光刻掩模覆盖在基片上， 用紫外光照射涂有光胶的基片， 使光胶发生光 化学反 应; (c) 用显影的方法除去经曝光的光胶; (d) 采用化学腐蚀的方法在铬层上 腐蚀出 掩模上的 平面二维图形; ( 的使用适当 的 刻蚀剂在基片上刻蚀所需的 通道; ( 0 刻 蚀 结 束 后 ， 除 去 光 胶 和 铬 层; ( 9 ) 打 孔 后 和 玻 璃 盖 片 键 合。 如 图2. 3 . 1 所 示 14 气 硕士论文微流控分析芯片的制作及流控特性研究 光胶 层 金属膜 光胶层 金属膜 光胶层 金属膜 光胶 层 金属膜 书片 夕 派 层 金属膜 蔫片 基片 图2 3.1 玻璃微流控芯片加工的 主要步骤 (a)镀 铬 层 及 匀 胶; ( b) 曝 光; (c ) 显 影; (d ) 刻 蚀 铬; (e)刻 蚀 玻 璃; ( 0 去 胶、 去 铬层; 卿键合 下面几个小节将详细介绍该方法中的各个步骤。 2 . 3 . 1制作初期准备 ( 1) 实验原料 基材使用湖南长沙韶光微电子总厂生产的 5 以0 0 9型匀胶铬版 2. 3 . 1 . 1 ) 。 采用成品 铬版可免去许多需要专门设备和条件的 烦琐操作， 降低了成本. 盖片使用市售的与基片相同材质的抛光玻璃。 表2. 3 ， 1 . l s g 4 0 09型 匀 胶铬 版相关参数 ( 具体参数见表 节省了时间， 40 的规格 绿玻璃 8 一 1 8 5 0 5 7 0 n r n 平面度 光胶 1 0 0 刀 0 x l 00 0 0 x 2 .3 0 u m级 ( 0 一 2 产 朋) 低反射率铬膜 ( l r c ) 1 4 5 朋 士 1 5 n m 实验所用化学试剂及规格见表2. 3 . 1 .20 硕士论文 徽流控分析芯片的制作及流控特性研究 2 咖角，以 除去残留溶剂; b置于50 家用洗涤剂中， 超声清洗2 0 耐n ， 以除去有机 和无机污染物;c . 置于50酒精中， 超声 清洗20inin ，以除去残留 溶剂;d . 置于50 去离子水中， 超声清洗 1 0 耐n 。 放入烘箱中干燥。 将烘干后的基片和盖片浸泡 在浓硫酸中14小时以 上， 取出 并用清水冲洗后， 在去离子水中 将两片贴合， 用滤纸 吸去多余的水， 放置于室温环境中2 4h以 上( 最好施加适当压力， 这样有助于两片的 接触，提高键合成功率) 。 用浓硫酸浸泡， 是为了 进一步地除去 有机物和刻蚀残渣， 并在玻璃片表面形成水 解层，当水解层紧密接触时，会发生缩聚反应，以实现键合. (2) 粘接键合。指通过在基片和盖片 之间使用粘接剂进行键合的一种方法。 其 成功与否主要取决于粘接剂的薪度 ( 粘接剂本身的内聚力) 以及基片表面的清洁状况 ( 基片之间的粘着力) 。 具体操作: 清洗玻璃基片及盖片 ( 同 前一方法) 。放入烘箱中干燥。 在基 片及盖片表面浸润一层2 %的硅酸钠水溶液， 并将其贴合， 在烘箱中90烘3h以上。 在操作中要特别注意不要划伤玻璃表面，贴合时注意在接触界面不要残留气泡， 否则会造成键合的不成功。 用这两种方法键合的玻璃芯片， 绝缘性能及机械强度比高 温键合的芯片要差一些，但是完全可以 满足一般化学分析的要求。 为了 方便接入电极， 增加储液池储液量， 可 使用透明塑 料管粘接在基片储液池上 方， 粘接时要注意不要堵塞储液池。 2 . 4制作成品 按照前面介绍的制作工艺， 分别制作了 具有不同水力学直径的直通道、 t型、 y 型、 十字型等不同形状微通道的玻璃芯片， 其具体几何参数如表2. 4 1 和表2. 4. 2 所示， 实物如图2 . 4 . 1 所示。 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 3微流控分析芯片中微流体的动电 力学理论 3 . 1微流控中的动电效应 双电层中带电表面和大量溶液之间的相对剪切运动构成了动电效应. 其基本表现 为在外加电场作用下， 带电表面( 联带着剪切面以内的一部分溶液) 向一个方向运动， 而剪切面以外扩散层中的反离子则带着部分溶剂向相反方向运动， 或者反过来， 由于 外力的作用， 带电 表面与双电 层中的扩散层部分发生相对运动， 结果诱导产生一个电 场 ， 动 电 效 应 可 分 为以 下 四 类 150 礼 (l ) 电 渗( e l 既 枉 o o s mo血) : 在外加电 场作用下， 电离的液体相对于静止的带电表 面的运动。 (2) 电 泳( 日 e c 仃 o p b o r e s i s) : 在外加电 场作用下， 带电 表面( 胶体 粒子) 相对于 静止液体的运动。 (3 ) 流 动势(s treaj n i n g po tenti al ) : 电 离的 流 体在静 止的 带电 表 面 运 动 所产生的电 场 ( 与电渗相反) . (4 ) 沉降 势 (s ed 加en tati onpo 切 n t i al ) : 带电 粒子相 对于 静止流 体 运 动所产生的电 场 ( 与电泳相反) 。 四种动电现象的对比关系如表3 . 1 . 1 所示: 表3 ， 1 . 1动电 现象的对比 关系 电场种类 固体表面 ( 液体表面) 静止 ( 运动)运动 ( 静止) 外加电 场 诱导电 场 电 渗电 泳 流动势沉降势 3 2双电 层和zeta电 势 双电 层是浸没在液体中的所有表面都具有的 一种特性， 通常是指两相之间的分离 表面由 相对固定和游离的两部分离子组成的 与 表面电 荷异号的离子层。 对于以 玻 璃 石英) 为 基 材的 微流 控芯 片， 当 沟 道内 电 解 质溶 液 的ph) 3 时， 管 壁的 一 5 泊 h( 硅经基) 开始部分 解离为 一 si j ， 使管 壁带负电 荷， 当 管壁和溶 液相接 触 时， 在管壁表面会形成稍微过量的反电 荷薄 层， 即称作双电 层 ( e l ect ricd 阳b 卜 lay er， edl)。 按 照近代双电 层 模型， 从固 体 材料 表面向 溶液中 心依次 分 布着 斯特恩 层 ( 5 招 ml a y e r ) 、 扩散 层( di肋sel a y e r ) 两 层。 st em层由 与固 体表面非 常 接 近的 过 量 电荷和在表面有效固定化的离子组成， 厚度约为1 2 个离子的厚度; 扩散层由5 抚 r n 面外的剩余对离子构成， 其电 荷密度随 着远离 表面而逐渐与体相溶液接近。 在扩散 层 中靠近 stem层的地方存在一个对双电 层有至关重要影响的面剪切面 ( s b e 盯 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 pl an e)。 剪切面上的电 势 通常 称为zeta 电 势， 记 作屯 ， 典 型 值大体在。 1 。 枷v 之间， 2 泛 ta电势的值随距离增大按指数衰减， 使其衰减一个指数单位所需的距离称之为双电 层的 厚 度， 记为各 口玛 ， 如 图3 .2 . 1 所 示。 图3 . 21 带负电的固体表面上双电层 ( edl) 的示意图 注:梦是 电 渗 势，叭是 壁 面电 势 ， y ， 是 离 开 壁 面 的 距 离 双电层中的离子浓度符合玻尔兹曼分布，电势分布符合泊松一 玻尔兹曼方程 ( p o 主 s s o n 一 b o l t z m a nn e q o a t i o n ) t5 3 ， 护 秘 ) 二 一 碑几 凡ee 否 = 声 5 (aw ) ， = 竺 奋 ( 3 2 . 1 ) (3:22) 式 中 ， 俨 一 电 渗 势( 日 e c t r 0 0 s m 。 血po 切 al ) 心 一 众妞电 势( 欢 恤 p o t e n t i 日 ) 几一 特征长度 pe一 净电 荷密度 尽 一 相对介电 常数 凡 一真 空 介 电 常 数 ， ee= 8. 名 5 4 、 1 0 一 u c ， j 一 ， m 一 ， 而“ 是由 下式给出的 离 子能 量 参数“ 。 川 。 阳 e r g y p ar a m e 比 r ) ， _ _ez a =-， 户 二 一 k ， t 式中， 。 一 电 子电 量，e = 1 .6 0218 92x1o 一 r， c :一 离子的价数 归 .2. 3 ) 硕士论文 微流控分析芯片的制作及流控特性研究 ke一b o lt z o 1 山 m常 数，丸= 1 .3 8 0 6 6 2 x l o 刁 ， j 尤 一 ， t一 温度 变量夕由 离子能量参数 a 、 特征长度几和德拜一 休克尔参数 ( d e b y e . h o c k e l p a r a n l e 橄)田决定: 6 初 、 之 户二一 g 2 月 。 e z 忿 2 ， o k b t (3 2 .4 ) 式中， 肠一 德拜长度 ( d e b 邓l e n 妙) 彻一 电 解质溶液中 单位体积内 正、 负 离子的总 数; 其中， 凡= 凡c ， 凡 是av鲍 a d r o 数，凡 二 6 .0 2 2 1 3 6 7 x l o 2 3 ， 0 1 一 ，c 是 摩尔 浓 度 3 . 3电泳 ( e l e c t 加p h o r e s i s ) 一些物质在一定p h值的缓冲溶液中带有有效的正或负电 荷， 这些带电荷的离子 性化合物在外加电场的作用下向相应的阴或阳电极运动，这种现象叫做电泳 ( e le c t r o p h o 二 515) 冈。 离 子 性 化 合 物 的 电 泳 迁 移 速 度 ( 场) 可 由 下 式 表 示 : 凡 二 云 = ， ， (e/ 劝 式 中 ， 云 是 外 加 电 场 强 度， 声 。 是 电 泳 淌 度 ， 由 离 子 性 物 质 的众 t. 电 势今 的浓度及性质决定如下式: ( 3 ，3 . 1 ) 和缓冲液 z r 凡 尽 么 、 严 印=言1 1 j、尸j 其中声 是电介质的砧度 以及缓冲液的介电常数 ， 离子 物质的zeta电 势口 取决于它的电 荷数( q+) 和体 积 右: 奋 = 五 = 4 屁。 e ， 几忍 将式 ( 3 .3. 2) ， (3.3 .3) 代入 (3 :31) ， 可 得电 泳迁 移速 度的 表达式: (3.3 .3 ) (33 . 4) .，一叮 -e一产 口j-矽 .犷 可以看出，电泳现象所产生的迁移只对离子性化合物有效，电 泳迁移速度取决于 离子的净电 荷和体积、 电 场强度、 缓冲液的 性质和柱温。 离子性化合物溶剂化的差别 ( 离子体积越小， 溶剂化越强) 会影响它的 有效离 子半径， 进而影响它的电 泳迁移速 度， 对于处于解离 平衡的 物质，则必须考虑到解离平衡过程对离子浓度的影响。 3 . 4微通道中的电渗流 ( e l e c t r o o s m o s i 。 ) 动电 效应是微流控分析系统中理想的驱动 和控制方法。 而电 渗流又是动电 驱动中 最基础和重要的性质之一。 硕士论文徽流控分析芯片的制作及流控特性研究 3 。 4 . 1电渗流的形成机理 电 渗流产生的前提是与电 解质溶液接触的通道壁上有定 域电 荷。 由 于通道壁表面 的离子化或离子的吸附作用， 大多数的表面带有负电荷。 在表面电荷的静电吸附和分 子扩散的作用下，溶液中的离子就会在固一 液界面上形成双电 层。当在微通道两端施 加适当的电 压时， 固， 液两相在steru层和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 着液 体一同 移 动， 形成电 渗 流 131.54)， 如图3 .4 1 . 1 所示。 自自 勺 自 曲 9 自 匀 0自0 自 自0 勺 0由 一 .塞 状 流 卜 困卿 曲 函 函 秘愈 白目勺 曰 勺 曰 臼 白 曰曰勺 任 ) 白曰 双电层 图3. 4 1 . 1 微通道中电渗 流动电场图解 ( 假设通道壁带负电) 显然，电 渗可看成电泳的特殊形式， 即某种 ( 定域) 离子的电