（机械电子工程专业论文）微流控芯片流体动态观测平台及实验研究.pdf

摘要 微流控芯片是现代分析科学的前沿技术，是微全分析系统( u t a s ) 的主要研 究方向，将对生命科学、环境科学、医学和化学等领域带来革命性的影响。自从 1 9 9 5 年加州大学伯克利分校在微流控芯片上实现高速d n a 测序以来，它已经成功 应用于氨基酸、蛋白质、细胞、药物、微量元素的检测中，显示出了巨大的应用潜 力。 同时，微流控芯片技术的发展不过短短十几年的时间，现在还是处于研究的初 级阶段，它的应用水平领先于人们对其流动机理的认识水平。借鉴国内外研究方法 和方向，本文采用可视化方法来获取表现微流控芯片流动机理的参数，通过实验验 证了电渗流的基本理论，研究了微沟道几何参数对电渗流的影响，为进一步深入研 究芯片沟道中流体的输运机理提供了条件。 针对大连理工大学研制的微流控芯片的特点，本文分析和讨论了应用可视化技 术建立微流控芯片的动态观测平台的主要矛盾和关键因素，对u p i v 实验平台的参 数进行了推导和确定，建立了u p i v 动态观测平台，可以用微粒子测速和激光诱导 荧光方法来研究其芯片沟道中流体的运动特性，在m a t l a b 上检验了互相关算法了 在流场分析中的正确性。在该平台上进行了维生素b 2 和荧光素钠的诱导荧光实验。 本文在研究电渗流和微流控芯片的伏安特性的基础上，完善了十字形芯片的电 阻等效模型，分析了沟道长度、宽度、电流、电场强度和电渗流之间的相互影响； 分别用电导法和图像测速法对芯片中流体的运动速度进行了测量，计算了芯片在硼 砂缓冲溶液中的电渗流淌度；为了确定沟道几何参数对电渗流的影响，设计了不同 宽度的单沟道芯片，对流速进行了测量，结果表明宽度对电渗流的影响是非线性； 在双t 形芯片上进行了悬浮进样、夹流进样和门进样三中进样方式的仿真和实验； 设计了微流控芯片高压电源的控制程序，增加了冲样过程，有效地抑制了样品分离 中泄漏问题。 在实验的过程中，本文规范了基本实验步骤，尽量减少了非相关因素的影响， 并给出了进一步深入研究的方向。 关键词：微流控芯片；可视化；u p i v ；电渗流；进样；泄漏 a b s t r a c t m i c r o h u i d i cc h i pi so n eo ft h ef r o n t so fm o d e r n a n a l y s i ss c i e n c e s a sa l li m p o r t a n t a n df a s td e v e l o p i n gc o m p o n e n to fu t a s ，i tw i l lb r i n gu sd r a m a t i ca d v a n c e st h r o u g hi t s p r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni nt h el i f es c i e n c e ，e n v l r o n m e n ts c i e n c e ，m e d i c i n es c i e n c ea n d c h e m i s t r y s i n c eb e r k e l e yi n s t i t u t er e a l i z e dh i 出一s p e e dd n a s u r v e yi nt h em i c r o f l u i d i c c h i pi n1 9 9 5 ，i th a v eb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h ed e t e c t i o no fa i r j n oa c i d ，p r o t e i n ， c e l l s ，d r u g s a n dt r a c ee l e m e n t s t h e s e a p p l i c a t i o n sd i s p l a yt h eg r e a tp o t e n t i a li nt h e c o m i n g f u t u r e w m l ei t sd e v e l o p m e n ti sas h o r th i s t o r yo ft e n so fy e a r s t h ec h i p s b a s i cr e s e a r c h o nf l o wm e c h a n i s m d r o p sf a rb e h i n di t sa p p l i c a t i o nr e s e a r c h u s i n ga sar e f e r e n c eo ft h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi n t e r e s t ，t h i st h e s i s a p p l i e sf l o wv i s u a l i z a t i o nt o a c h i e v et h ei n t e r n a lp a r a m e t e r so ff l o wi nt h ec h i p s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si ti sf o u n d t h a tt h ee l e m e n t a lt h e o r yo fe l e c t r o o s m o t i cf l o wi s a p p r o p r i a t ei nt h em i c r o f l u i d i cc h i p e x c e p t t h eg e o m e t r yf a c t o r s n o n l i n e a re f f e c t b a s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em c i r o f l u i d i cc h i p sm a n u f a c t u r e di nt h em s t c e n t e ro fd u t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em a i nc o n t r a d i c t i o n sa n dk e yf a c t o r si nt h e i m p l e m e n to f v i s u a lo b s e r v a t i o np i a f f o r l n a f t e rt h ec a l c u l a t i o na n dt r a d i t i o nt h eu p e x p e r i m e n ts y s t e mi s s e tu pw i t hr e a s o n a b l es p e c i f i c a t i o n t h ep l a t f o r mi sa b l et od o e x p e r i m e n t so np a r t i c l ei m a g ev e l o c i t ya n dl a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e t h ea g o r r h r ao f c o r r e l a t i o ni st e s t e di nm a a b t h et h e s i sa l s om a k e se x p e r i m e n t so fv i t a m i nb 2a n d f l u o r e s c e i ns o d i u m n l et h e s i se s t a b l i s h e sar e s i s t a n c ee q u i v a l e n tm o d d ef o ri m e r s e c t i o nc h i p so nt h e b a s i co fe o f t h e o r ya n dv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i z a t i o n ，i th e l p st oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o n a m o n gm i c r o c h a n n e l sl e n g t h ，w i d t h ，c u r r e n t ，e l e c t r i cs t r e n g t ha n de o fv e l o c i t y u s i n g t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fc o n d u c t a n c ea n di m a g ev i s u a l i z a t i o n ，t h et h e s i sg a i n st h e e o f m o b i l i t y i nb o r a t es o l u t i o n i no r d e rt os p e c i f yt h ee f f e c to f g e o m e t r yf a c t o r ，ac h i p d e s i g n e dw i t hm i c r o c h a n n e l so fd i f f e r e n tw i d t hi su s e dt oe x p e r i m e n ti ne o f v e l o c i t y a sar e s u l t ，i t sd i s c o v e r e dt h a tt h ew i d t hh a san o n l i n e a re f f e c to nt h ee o fi n m i c r o f l u i d i c c h i p s ，t h e r e a f t e r ，t h r e ei n j e c t i o nm o d e ：s u s p e n d i n gi n j e c t i o n ，p i n c h e d i n j e c t i o na n dg a t e di n j e c t i o na r ee x a m i n e d i nd o u b l etm i c r o f i u i d i cc h i p sa sw e l la st h e i r s i m u l a t i o ni nc o n v e n t o r w a r es o f t w a r e b e c a u s el e a k a g ei sc o m m o ni nt h et e s t s ，t h e t h e s i si m p r o v e st h es e p a r a t i o nm o d eb ya d d i n gap r o c e s so fp u s hs a m p l et op r e v e n t s a m p l ef r o md i s t u r b i n gt h es e p a r a t i o n e f f e c t t h i sp r o c e s si sd r i v e n b y t h ep o w e r s u p p l y c o n t r o l l e db y c o m p i l e d s o f t w a r e t h r o u g ha m o u n t o f e x p e r i m e n t s ，t h e t h e s i sd r a w sac o m m o nc r i t e r i o no f p r o c e s s i n g t or e d u c et h ei n f l u e n c eo fm i n o rf a c t o r s i nt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ef u r t h e rr e s e a r c h s d i r e c t i o ni sf o r w a r d e d k e y w o r d s ：m i c r o f u i d i cc h i p ；v i s u a l i z a t i o n ；u p i v ；e o f ；i n ：i e c f i o n ；l e a k a g e 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 1 绪论 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是口一t a s ( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ) 当前最 为活跃的研究领域和发展前沿。它集中体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的 思想，其未来的发展将对i t t a s 实现分析实验室的“个人化”、“家用化”的目标 起到关键的作用，也是下一代的生物化学允析仪器的主要产品。微流控芯片的研究 需要生命科学、m e m s 、材料、电子、光学仪器、流体力学等多学科领域的支持， 同时它的发展还需要更多的基础理论来更深入地理解和掌握物质在微米尺度流动 状态下的行为，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规律等，这些对相 关的理论研究提出了新的挑战，也制约了微流控芯片在实际中的应用。目前，各个 研究组织和机构已经对微流控芯片的一些关键性技术取得了突破性的进展，相信以 微流控芯片为代表的砧一t a s 技术将在未来的几十年里为人们的生活带来更多的便 利。 1 1 微流控芯片简介 微流控芯片( 如图1 1 ) 的发展是随着“一t a s 技术的发展而成长起来的。微全 分析系统的目标是通过化学分析设备的微型化和集成化，最大限度地把分析实验室 的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。因此微全分析系 统也被称作“芯片实验室”( l o c ，l a bo nac h i p ) 。1 9 9 0 年瑞士的c i b a - g e i g y 公司的m a n z 和w i d m e r l l l 首次提出了微全分析系统的概念，当时主要强调了分析系 统的“微”和“全”，及微管道的m e m s 加工方法。1 9 9 1 年m a n z 和加拿大a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 等人 2 】 3 发表了最早的在微加工基础上完成毛细管电泳分离的论 文，从而展示了微流控芯片的发展潜力，同时把微系统的主要构型定位在面积为数 平方湮米及十几平方厘米的平板芯片上。1 9 9 4 年开始，美国橡树岭国家实验室的 r a m s e y 和j a c o b s o n 等 4 1 1 5 1 1 6 7 1 在m a n z 的基础上发表了一系列的论文，改进了芯片 毛细管电泳的进样方法，提高了其性能和实用性，引起了广泛的关注。1 9 9 5 年美 国加州大学b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 等【8 1 在微流控芯片上实验了高速的d n a 测序， 微流控芯片的商业开发价值开始显现出来。1 9 9 6 年m a t h i e s 等1 9 1 又成功地实现了聚 合链酶式反应( p c r ) 扩增，这种将毛缅管电泳技术应用在基因分析的技术，展示 了微全分析系统在试样处理方面的潜力；1 9 9 7 年他们实现了微流控芯片上多通道 毛细管电泳的d n a 测序”0 】。与此同时，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名 分析仪器生产厂家( 包括h p 、岛津等) 合作，努力将其产品推向市场。1 9 9 9 年9 月 h p ( 今a g i l e t t t ) 与c a l i p e r 联合研制了首台微流控芯片商品化仪器，可以用来进行 核酸及蛋白质的分析。到现在为止，微流控芯片已经可以用来分析氨基酸、蛋白质 f 1 1 】、d n a t l 2 1 、细胞1 3 】、药品1 铂等诸多对象。 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 图1 1m s t 中心微流控芯片图 f i g 1 ，1m i c r o f l t f i d i cc h i pm a d e i nm s t c e n t e r 在微流控芯片的发展过程中，出现了很多名词，如平板电泳芯片( p e ) u “、毛 细管电泳( c e ) 芯片、毛细管阵列电泳( c a e ) 芯片”0 】、集成毛细管电泳( i c e ) 芯 片等。这些名词也反映了微流控芯片不断发展的各个阶段，从单通道到最多3 8 4 个 通道的芯片【1 习( 图1 2 ) ；从简单的只有进样和分离通道的十字型通道，到集成柱 前柱后反应通道、循环进样、弯曲形状通道的复杂芯片，微流控芯片的技术不断地 适应现代研究的发展需要，不断地接近“微”和“全”分析系统的目标。 图1 23 8 4 沟道分析芯片图( 右图为每个集成单元的结构图) f i g 1 2 a n a l y s i sc h i p w i t h3 8 4 m i c r o c h a n n e l s ( r i g h t i s o n e u n i t ) 现在微流控芯片比较认同的定义为：以生物化学和分析化学为基础，以微机电 加工技术为依托，以芯片基底上微管道网络为结构特征，把整个化验室的功能，包 括采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等集成在微芯片上，完成芯片实验室的 功能，且可多次使用。它的结构特征尺寸一般在几十或十几个微米f l “。它的特点是： 1 ) 它的分析对象为液体，系统中试样和试剂体积为一n 绣2 更小； 2 ) 液体流动为受控流动，其流速和流动方向均可通过改变外加条件得到控制， 状态可高度重视，并可实现自动化控制。 3 ) 分析时间短，一般为秒级，可以在很短的时间内完成混合、分流、变向、 2 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 加速等复杂的操作； 4 ) 利用现代微加工技术可以实现批量生产。 除了这些共性，根据不同的基底材料可以分为：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。不同材料的芯 片分析效果也不一样，加工的工艺参数也有区别，例如玻璃芯片和塑料芯片，前者 普遍采用湿法腐蚀的方法来获得微沟道，后者一般采用热压的方法获得所需要的沟 道形状和布局，可以获得较高的生产效率。在应用中，根据芯片的功能可以分为： 高分辨率分离芯片；微采样( 进样) 芯片；微传感器( 检测) 芯片；前处理芯片； 化学反应芯片等。虽然这些功能都可以集成在同一块芯片上，但是由于有些部件大 小的限制，为了不至于使芯片的体积增加，所以现在不同功能的芯片有不同的侧重 点。相信在将来，这些功能都可以集成到方寸大小的微芯片上，实现全部分析实验 室的功能。 和1 t t a s 一样，微流控芯片技术也属于多学科交叉的领域，它既依赖于许多分 析技术的发展，也依赖于微机电加工技术水平的提高，同时还依赖于应用对象( 当 前主要是生命科学) 的融入。除此之外，材料、电子、光学仪器、计算机等科学领 域的发展和介入也是微流控芯片及t t a s 取得不断发展和成功不可缺少的条件。为 厂指导微流控芯片的设计和应用，它的发展还需要更多的理论基础来支持，需要更 深入地理解和掌握物质在微纳米尺度流动状态下的行为，例如微纳米通道中的传 质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都是这门新兴科学面临的挑战。 从国内外对微流控芯片的研究中可以看出，当今微流控芯片技术的发展趋势 有： 1 ) 以电渗流为主要驱动手段发展副流体动力、气压、重力、离心力等多种手 段； 2 ) 以激光诱导荧光检测方法发展到光度法、电化学、质谱、化学发光等多种 检测手段； 3 ) 以玻璃材料为主发展到玻璃与高分子材料并重； 4 ) 单通道检测发展到多重通道并行检测； 5 ) 完善数学模型，通过计算机仿真模拟简化设计； 6 ) 从单纯的毛细管电泳分离、检测发展到包括复杂试样处理的高功8 全分析 系统，集成化进一步提高，如图1 3 、l | 4 、1 5 。 3 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 图1 3u t a h 大学的集成微流控芯片 f i g 1 3m t 昭呲。dm l c r o f l u i d i cc h i pi nu t a hu n i v e r s 埘 图1 4l o u i s v i n e 大学集成微流控芯片 图1 5 瑞士n e u c h a a t e l 大学集成微流控芯片 f i g ，1 ，4m i c r o f l u i d i cc h i po f l o u i s v i l l eu n i v f i g ，1 ，5m i c r o f l u i d i cc h i po f n e u e h a a t e lu n i v 1 2 可视化方法在微流控芯片中的应用 在微流控芯片的研究领域中存在以下的研究点，如图1 6 。 4 傲流控芯片流体动态观涮平台及实验研究 微流控芯片 制作工艺 输运理论 荆瀚料卜圈圆圈圃 望塑兰卜圆圈圆， 二堕 咽圆圈 二匾 徊圈圈 忑掬r 亟匝咂回圈圃 液流驱动与控制h 一 一叫三燮微流唾恝机理l 瓶器丽话 描述 f 1 兰竺竺兰兰 几何、物化参数 对微流体的影响 回箧 蕊 1 墨竖耋堡j l 壅鎏堂堂址盟! 壁 匝囹匝巫固 堑口圈圆回 薇霜嗣而硬丽日几网雁漉翮 荧光法i l 度法| l 发光l i 检测i 垂圃固 图1 6 微流控芯片的主要研究内容 f i g 1 6r e s e a r c h e s i nt h ef i e l do f m i c m f l u i d i c c h i p 近几年来许多科研机构参加微流控芯片研究，由于可视化方法可以研究输运理 论中的许多问题，并且能够与检测应用结合紧密，所以这种方法在研究中被普遍采 用。现在国内有大连理工大学、清华大学、上海微系统研究所、浙江大学、大连化 物所、香港科技大学、台湾成功大学等。国外对微流控芯片的研究的比较早，主要 的研究机构有美国斯坦福大学、美国橡树岭国家实验室、美国劳伦斯伯克利国家实 验室、美国安吉伦公司、加拿大的多伦多大学等，其中美国的斯坦福大学在这方面 的研究处于领先地位。 1 2 1 轨迹线法 轨迹线方法是一种被应用比较早的方法，通过在流场中添加有色溶液或气泡来 显示液体的流动。例如雷诺实验( 1 8 8 3 年) 。但是由于微流控芯片尺寸在十几个 微米左右，很难在流场外加装置提供有色溶液，较少用在微流控芯片的研究中。 5 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 c 屠流 ( b ) 过渡流 一三三主娶墨至匿 + ( c 揣流 图1 7 雷诺实验示意图 f i g 1 7m u s t r a f i o no f r e n a u l te x p e r i m e n t 轨迹线法能够获得流体运动中的速度、流线等特性参数。 1 2 2 明场观测法 显微镜的出现使得人们可以看到物体清晰的内部细节。通过观测水头或有色溶 液的流动，可以获得流体运动特性的实验数据。 1 9 9 5 年清华大学江小学”1 建立了微流量测量系统，结合精密压力传感器和显 微图像分析技术对微管道中液体流动的速度进行测量，从而计算得到流量。整个装 置( 图1 ，8 ) 包括了精密应变式压力传感器、差动放大电路、8 位a d 卡、液面调 整装置、标准管、显微镜、c c d 、图像监视器。他的研究对象是在标准毛细管中的 图1 8 微流量测量系统结构 f i g 1 8s k e t c hd f l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e ms y s t e m 纯水，通过压力传感器获得压力参数，利用显微镜和c c d 记录流动的图像，对图 像进行分析，获得流动的速度，分析得出在2 4 u m 和1 4 u m 时，微管道流体的压力 一流量曲线仍然符合h a g e n p o i s e u i l l e 方程。 2 0 0 2 年复旦大学用有色溶液作为样品，在显微镜下得到了6 5 u m 宽的高聚物微 流控芯片沟道中悬浮进样( 图1 9 ) 和夹流进样( 图1 1 0 ) 时的图像，获得了不同 进样模式下的电压取值。 6 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 图1 , 9 悬浮进样模式图1 1 0 夹流进样模式 f i g 1 9s u s p e n d i n g 坷e c t i o n f i g 1 1 0p i n c h e di n j e c t i o n 明场观测法实验设备简单，运用方便，能够获得流体运动的速度、流形，但是 精度低。 1 2 3u p i v 微粒子粒子图像测速 p i v 方法现在作为流场显示的一种常用方法，在宏观流体分析中得到了广泛的 应用，1 9 9 6 年b r o d y 等人将这种方法引入到微流体的实验分析中，称之为u p i v ， 它与宏观的p i v 方法有很大的不同，请看第三章。 为了研究微流体的内在流动机理，杨华勇、谢海波等在2 0 0 1 年建立了数字粒 子图像测速( d p i v ) 的实验装型1 9 1 ( 图1 1 1 ) ，通过记录在微管道中示踪粒子的 运动的连续图像，应用互相关算法进行图像处理，获得粒子在整个流场中速度的矢 量分布图( 图1 1 2 ) 。实验装置包括了：荧光显微镜、c c d 、同步控制信号、脉冲 激光器等部分，其中用到的示踪粒子为3 0 0 r i m 的聚苯乙烯粒子。 遁一强 星。筻燃 l 椒酣肿f v 鞭鳖$ 簟蕾 i 、9 * t * 3 t 4 抵 t 蜷t 肇t s 根 鞭* 。h 制茸7 蛳懈h 孽冲讲 图1 u 微流体d p i v 装置示意图 f i g 1 1 1d p i vs y s t e m ss t r u c t u r e 图i 、1 2 速度矢量分布图 f i g 1 1 2v e l o c i t yv e c t o rf i e l d 斯坦福大学的s tw e r e l y ，j gs a n t i a g o t 2 0 莉e1 9 9 8 提出了微粒子图像测速 ( u p i v ) 的方法来研究微管道中流体的速度矢量图像。他们在奥林巴斯荧光显微镜 的基础上建立了一套微流体观测平台( 图1 。1 3 、图1 1 4 ) 。2 0 0 1 年【2 1 1 他们采用表 面涂有荧光物质的聚苯已烯粒子，在n d ：y a g 脉冲激光的激发下，经过荧光显微镜 7 图1 1 3 装置示意图 f i g 1 1 3s k e t c ho f e x p e r i m e n t 图1 1 4 实际实验装置图 砘1 1 4 e q u i p m e n t o f o b s e r v a t i o ns y s t e m 图1 1 5p i v 粒子荧光图 图1 1 6 相关算法得到的速度矢量分布图 f i g 1 1 5f l u o r e s c e n tp a r t i c l e si m a g e 1 1 6v e l o c i t yv e ，c l o rf i e l db yc o r r e l a t i o n 0 j g o r j t h r a 图1 1 7 微喷头中液体的速度场 图1 , 1 8 十字交叉处的速度矢量场分布图 f i g 11 7v e l o c i t y v e e | o rf i l e di n f i g1 1 8v e l o c i t y f i e l di ni n t e r s e c t i o n “ m i n r o n o z z l o i c f i 】i d j cc h i p 关算法，进一步得到血管中红细胞周围流场的矢量分布图( 图1 1 6 ) 。2 0 0 2 年， g u i 研究了微喷喷头的流体运动速度的差异( 图1 1 7 ) 0 2 0 0 3 年d e v a s e n a t h i p a t h y 1 电用。p i v 方法研究了十字形微流控芯片交叉点处的流场，得到了如图所示的速度 矢量分布图( 图1 1 8 ) 。他们针对不同的微流体器件中流体的运动进行了实验，并 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 在共同的电渗流方程和流体力学方程的基础上对边界条件进行了建模分析。 u p i v 通过跟随流体运动的粒子获得流体内部各个位置的流动速度矢量、流场 分布，具有较高的精度，能够较好地反应流体运动特性。并且有文献报道三维的 u p i v 流场分析也得到了发展。 1 2 4l i f 激光诱导荧光方法 激光诱导荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 方法是近几年发展起来的具有更高 分辨率的流体观测方法。通过在流场增加荧光物质，获得高对比度的图像，从而提 高实验数据的准确性。并且有些分析用样品溶液具有激发产生荧光的性质，因此广 泛应用在微流控芯片的实验分析中。 台湾成功大学 2 4 12 0 0 2 年用激光诱导荧光的方法，研究微流控芯片上的迸样方 式。他们搭建的平台用到了c c d ( m o d e lt e c c d 5 1 2 t k m ) ，氩离子激光器，光 学显微镜( m o d e lt e 3 0 0n i k o n ，m e l v i l l e ，n y ) ，使用罗丹明试剂( 9 1 u m ，激发峰 在5 1 4 5 r a n ) ，以硼酸盐为缓冲溶液( p h 9 2 ) 。得到了注射时芯片十字交叉处的 图像( 图1 1 9 ) ，并与数字仿真图像( 图1 2 0 ) 进行了对比。 图1 1 9 记录图像 f i g 1 1 9 i m a g er e c o r d so f f l o w 图1 2 0 数字仿真图像 f i g 1 2 0s i m u l a t i o no f i n j e c t i o na n ds e p a r a t i o n 1 9 9 8 年m a n i s h e 2 5 1 用激光诱导荧光的方法研究了直管道和弯曲管道中的电渗流 动，用显微镜( 1 0 0 倍) 、u v 激发荧光素( 缓冲溶液为t r i s - e d t a ，p h 值调整为 7 4 ) 和c c d 得到了如图1 2 1 所示的图像，并和软件模拟的图像进行了对比，发现 了弯曲管道的跑道效应，分析了其在应用中带来的缺点。 9 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 图1 2 1 直管道和弯曲管道中记录图像与实际图像的对比 f i g 1 2 1 c o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dr e s u l t so f f l o w i ns t r a i g h ta n dc u r v ec h a n n e l 1 9 9 8 年e r m a k o v 2 6 1 等人用激光诱导荧光的方法研究了不同夹流电压作用下形 成的样品形状，并与数学模型模拟的分布和聚焦情况进行了对比( 图1 2 2 ) ，分析 了不同电压对进样样品形状的影响。2 0 0 0 年他们1 2 7 还用计算机模拟了门进样时的 优化进样电压，而减少样品的泄漏( 图1 2 3 ) 。 图1 2 2 理论仿真结果与实验结果的比较 f i g 1 1 2 2c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t e dr e s u l t s 图1 2 3 门进样优化 f i g 1 2 3o p t i m i z a t i o no f g a t e di n j e c t i o n 2 0 0 1 年j e a np t 2 羽也用激光诱导荧光的方法研究了芯片上夹流进样和分离时的 1 0 微流控芯片流体动态观测平台及实验砰究 荧光图像( 图1 。2 4 、图1 。2 5 ) 。他的芯片尺寸为1 0 ，2 u r n 深，4 1 8 u r n 宽。使用的仪 器有：c c d ( t e c c d 5 1 2 t k m ；p r i n c e t o n ) ，显微镜( t e 3 0 0 ；n i k o n ；1 0 0 倍物镜， 蛐什e f 删 舛e 霉w 瑚 土1 m 日c l l 口i l n n t 墙酶 耐 图1 2 4 芯片示意图图1 2 5 进样图与分离图 f i g 1 2 4m i c r o c h i ps k e t c h f i g 1 2 5i m a g e so f e c t i o na n ds e p a r a t i o n 配有高压汞灯) ，氩离子激光器( 5 1 4 r i m ) ，观察对象是用荧光物质( t r i t c ) 标 记三种氨基酸l y s 、g l y 和a s p 溶液。对三种进样模式进行了实验观测，并对获得 合适的样品柱进行了研究。 2 0 0 0 年d a v i ds i n t o n t 2 9 用l i f 显微观测法对电渗流进行了研究。该装置( 图 2 5 ) 包括了外接激光器的荧光显微镜、逐行扫描c c d 镜头和氩离子激光器，光束 放大器，注射泵和其他一些辅助装置( 图1 2 6 、图1 2 7 ) 。对实验图像数据进行处 理，得到了l o o u m 中电渗流的速度及形态图像( 图1 2 8 ) 。2 0 0 1 年他们删用激光 激发被荧光染料标记过的溶液，获得了微流控芯片中在不同情况下注射时的流动图 像( 图1 2 9 ) 。2 0 0 3 年研究了不同的微管道结构中流体的流形口”。对不同形状的 管道中流体的流形进行了实验( 图1 3 0 ) ，测定了双电层厚度和电渗流速度之间的 关系( 图1 3 1 ) 。 h n ls k - 山1 m _ h 岫a d 叫峨“d ” 图1 2 6 装置示意图 f i g i 2 6o b s e r v a t i o ns y s t e m 图1 ”动态观测平台 f i g 1 2 7o b s e r v a t i o ns t r u c t u r e 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 图1 2 8 速度轮廓 图1 2 9 芯片上的流动图像 f i g 1 2 8 e o wf i g u r eo f e o ff i g 1 2 9i m a g es e q u e n c eo f i n j e c f i o na n ds e p a r a t i o n l 咿峨s 叩 聪e 8 辨_ l 鼬 l 晖t 8 图1 3 0 不同形状管道中的电渗流形 f i g 1 3 0f i g u r e so fe o f i nd i f f e r e n tc h a n n e l s = j = 撇：畸竺冀 h 。a ：l ：。o o 4 m 图l - 3 1 双电层与电渗流速度 f i g 。1 3 1d o u b l ee l e c t r i cl a y e rv s v e l o c i t yo f e o f 2 0 0 2 年s t a n f o r d 大学的m o l l 0 1 3 2 1 等人采用l i f 方法研究了压力流和电渗流扩散 的不同( 图1 , 3 3 ) 。同时m o s i e r 蚓用光漂白技术研究了扩张口处流体形状的变化 ( 图1 3 4 ) 。c h e n l 3 4 采用r e a c t i v e b a n d c r o s s i n g 技术改进分离模式得到了高效快速 的分离结果( 图1 3 5 ) 。 图1 3 2 实际实验装置图 图1 3 3 电渗流和压力流的流形及扩散 f i g 1 ，3 2o b s e r v a t i o ne q u i p m e n t f i g 1 3 3 d i f f e r e n c ei np r o f t l e sa n dd i f f u s i o no fe o f a n dp r e s s u r ef l o w 1 2 微流整芯片流体动态观测平台及实验研究 图i 3 4 变截面沟道产生样品弯曲 f i g 1 3 4d i s t o r t i o ni no u t s p r e a dc h a n n e l s 图l | 3 5 改进分离模式效果对比 f i g i 3 5c o m p a r i s o no f d i f f e r e n ts e p a r a t i o n m o d e l i f 方法通过把荧光物质作为观测对象，获得较高的时间和空间分辨率，可以 得到流体运动速度、流形、浓度运动特陛参数，并且与实验分离有较好的接口，所 以也得到了广泛的应用。 1 2 5 层析技术 层析技术如c t 等能够容易地获得观测对象的三维数据，有助子进行3 d 流场 分析。虽然由电子柬扫描替代了x 线管与检测器的机械扫描，提高了扫描速度， 但是用于微流控芯片流场实时分析仍然不够，在实验中较少用到。 1 3 本论文的主要工作和目标 通过对国内外在微流控芯片方面的研究进展发现，建立一套流动可视化的观测 系统，可以研究这个新兴领域的许多内容：电场作用下的流体运动模型、沟道性质 对流体运动的影响、进样分离效果分析等等。为此可_ 以说，流体可视化是研究微流 控芯片机理和应用的一个普遍的方法。激光诱导荧光( l i f ) 的方法能够清晰的显 示流场断面的流态，充分解释流动内部的结构。并且不需要添加粒子( 这在u m 级 的微流体中有一定的困难) ，这样不会对原始流场产生破坏。并且，激光诱导荧光 的方法也是药物成分检验的普遍方法【3 ”，跟实践的结合也比较紧密。粒子图像测速 ( u p i v ) 方法能够获得流场的分布图像，直观地表达微流体运动的特性，能够为理 论模型的建立和验证提供有力的证据。同时通过分析，这两种方法可以在一套设备 上完成，因此本文工作的重点是通过实验掌握微流控芯片的基本特性，验证和提出 一部分理论和论点，并建立一套微流控芯片观测系统。该课题的进一步深入的意义 在于：为微流体理论的发展和完善提供可靠的实验数据，同时指导微流控芯片的设 计、制作。 傲流控芯片流体动态观测平台及实验研究 2 基本输运理论 2 1 电渗流 电场控制下流体能够流动主要依靠电渗流和电泳的作用。带电粒子在直流电场 作用下于一定介质( 溶剂) 中所发生的定向运动就是电泳。电渗可以看成电泳的特 殊形式，即某种离子的电泳被溶剂的反相运动所取代。 电渗流是由于双电层的存在而产生的，双电层中过量的离子在电场的作用下带 着液体向电极移动，从而形成电渗流。与普通的压力流不同，电渗流的流形是塞状 流形，只有在双电层的扩散部分是抛物线流，同时由于双电层的厚度很小，因此总 体而言，流动相在微沟道中的运动可以被认为是塞状流形。图2 1 与图2 2 分别是 压力流和电渗流的不同流形。t a y l o r 等使用高分辨成像装置，直接观察了毛细管内 液体流动情况，验证了电渗流为平头流形。平头电渗流可以克服压力进样产生的抛 物面流形对区带的加竟作用，可以降低检测图谱的峰宽。 图2 1 压力流的抛物线流形 f i g 2 1p a r a b o l af l o wd r i v e nb yp r e s s u r e 图2 2 电渗流的塞状沛形 f i g 2 2 f l a t f l o w o f e o f 表面都存在负电荷，对于玻璃而言，这些负电荷都是由于表面硅羟基解离所产生。 当玻璃表面与溶液相接触时，为了与玻璃表面固定化的负电荷达到电平衡，在玻璃 表面会形成稍微过量的反电荷薄层。这一电荷薄层一般被分成两个部分，与固体表 面非常接近的过量电荷和在表面有效地固定化的离子被称之为h e l m b o t z 层或紧密 层，这部分过量电荷和离子不会对电动力学产生影响。另一部分过量电荷可以与 溶液中的离子自由交换，这一部分过量电荷被称之为双电层中的扩散层或s t e m 层。 与平衡离子相关的过量电荷密度随着与固体表面距离的增加而迅速降低，降低到 纠8 的距离被称之为双电层的厚度( 8 ) ，通常以l ，k 表示，其中r 是d e b y e 长度。 图2 3 表示在固体表面形成双电层的示意图。在电场的作用下，固液两相就会在紧 密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，这些离子就会携带液体一同移动，因此形成 了电渗流，液体随扩散层的离子移动，形成稳定的速度轮廓。 1 4 微流控芯片流体动态观测平台及实验研究 一 辩m 妇g e r v 誊纛蚍狮：q 遴 e ， 一 狲童璺v 蜷隧 豢运 鬈 磐陵： 霸晒 l 懋 j f 忖n t i 衡 图2 3 双电层不蕙幽 f i g 2 3d o u b l ee l e c t r i cl a y e r 双电层的厚度8 可以用以下公式表示； 占= ( e o er r ) ( 2 f 2 c ) r = ( e r t ) ( s z c f 2 ) r 亿1 1 式中，岛是真空介电常数，是相对介电常数或介质介电常数，r 是气体普适 常数，t 是绝对温度，c 为电介质的摩尔浓度，f 是法拉利常量，s