（机械设计及理论专业论文）基于pnp模型微通道电渗流数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 微流控芯片将样品的前处理、化学反应、分离、检测等功能集中转移到一 块几平方厘米的芯片上，体现了其微型化、集成化、自动化和简便化等特点， 其中微流体的驱动与控制成为微流控芯片研究的核心问题。本文基于p o i s s o n n e m s t - p l a n e k 数学模型，针对光滑表面平行板微通道，通过基础理论分析、数 值模拟研究和实验验证相结合的方式研究了微通道内电渗流( e l e c t r o o s m o t i c f l o w , e o f ) 输运特性。 本文的主要研究成果和创新点如下： 1 深入了解了微流控系统的电动现象和电渗流形成机理，并通过对双电层 模型的深刻理解，研究分析了p o i s s o n b o l t z m a n n ( p b ) 模型和p o i s s o n - n e m s t - p l a n c k ( 肿一) 模型多物理场特征，结合各物理场控制方程建立了p n p 耦合数 学模型，为e o f 数值模拟研究奠定了理论基础。 2 基于p n p 和p b 模型数值模拟相同物理条件及几何模型下微通道e o f 输运特性。通过对比分析基于两种模型下微通道截面电势分布和电渗流速度分 布，得到了低浓度溶液双电层中离予分布并不完全服从b o l t z m a n n 的结论，且 p n p 模型比p b 模型能更准确的描述双电层内离子浓度分布，验证了p n p 模型 比p b 模型更具普适性。 3 运用电流监测法实时监测p m m a 芯片微通道电渗流速度，对比分析了 电渗流速度实验数据和基于p n p 模型数值模拟数据，结果表明在实验和数值模 拟中电渗流速度与溶液浓度及外加电场关系相同，验证了p n p 模型的准确性。 4 基于p n p 模型数值模拟研究了光滑表面平行板微通道入口区域e o f 输 运特性，不同溶液浓度下微通道内离子浓度分布特性，系统研究了稳态下溶液 浓度、微通道高度和外加电场强度对电渗流速度的影响。溶液浓度与电渗流速 度非线性相关，高浓度溶液电渗流速度较小；微通道高度对稳态电渗流速度几 乎没有影响；电渗流速度随着外加电场强度增大线性增长。推断出可通过对溶 液浓度和外加电场强度的控制实现电渗流速度控制。 5 基于p n p 模型数值模拟研究了光滑表面平行板微通道上下壁面z e t a 电 势不均等分布、微通道流向z e t a 电势阶状变化分布及通道流向z e t a 电势复杂分 摘要 布下电渗流输运特性。研究结果表明微通道流向正负z e t a 电势交替阶状变化分 布和通道流向z e t a 电势阶状变化与线性变化交替且交替处z e t a 值不连续分布下 微通道内出现循环回流，并且后者的循环流比前者更强，推断出通道流向z e t a 电势阶状与线性交替变化分布且交替处z e t a 电势值出现正负值跳变的分布方式 可有效增强微混合，因此在实际应用中可通过微通道表面改性处理方法改变通 道表面z e t a 电势分布可实现增强微混合的目的。 关键词：p o i s s o n - n 豇n s t p l a n c k ；p o i s s o n b o l t z m a n n ：微通道；电渗流： z e t a 电势；数值模拟 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 p sc e n t r a l i z et h ep r e t r e a t m e n t , c h e m i c a lr e a c t i o n , s e p a r a t i o n a n dd e t e c t i o no fs a m p l ea n dt r a n s f e r st oaf e ws q u a r ec e n t i m e t e r so fc h i p t h ec o r e p r o b l e mo fm i c r o f l u i d i cc h i p sw i 蛀1 c 】缸l i 鼍嵋l e r i s d c so fm i c r o m a t i o n , i n t e g r a t i o n , a u t o m a t i o na n ds i m p l i c i t yi st h ed r i v ea n dc o n t r o lo fm i c r o f l u i d t h i sp a p e rh a d s t u d i e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o o s m o t i cf l o w ( e o f ) i n2 dm i c r o c h a n n e l s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fb a s i ct h e o r e t i c a l , t h er e s e a r c ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb y p o i s s o n - n c m s t - p l a n c km o d e la n de x p e r i m e n t 1 1 l em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e rh a dad e e pu n d e r s t a n d i n go fm i c r o f l u i d i cs y s t e mo fe l e c t r i c p h e n o m e n o na n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fe o f , a n ds t u d i e dt h em u l t i - p h y s i c a l f e a t u r e so fp o i s s o n - b o l t z m a n n ( p b ) a n dp o i s s o n - n c m s t - p l a n c k ( p n p ) m o d e lt h r o u g h d e e pu n d e r s t a n d i n go fd o u b l ee l e c t r o d el a y e r ( e d l ) m o d e l b a s e d 0 1 1c o n t r o l e q u a t i o n so fp h y s i c a l f i e l dt oe s t a b l i s hp n pc o u p l i n gm o d e lw h i c hw e r et h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o re o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h s s e c o n d l y , b a s e do n t h es a m ep h y s i c a lc o n d i t i o n sa n dg e o m e t r i cm o d e lt op r e d i c t t h ee o fi nm i c r o c h a n n e lb yp n pa n dp bm o d e l t h r o u g hc o m p a r e da n da n a l y s e d t h ee l e c t r i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n sa n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sb e t w e e nt h ep ba n d p n pm o d e lt oi n f e rt h a tt h ei o n sd i s t r i b u t i o no fl o w - c o n c e n t r a t i o ns o l u t i o ni ne d l w a s tc o m p l e t e l yo b e yb o l t z m a r md i s t r i b u t i o n , a n dp n pm o d e lc a nm o r ea c c u r a t e l y p r e d i c tt h ei o n sd i s t r i b u t i o ni ne d l t h a np bm o d e l s ov e r i f i e dt h ep n pm o d e lw a s m o r eu n i v e r s a lt h a np bm o d e l t h i r d l y , t h i sp a p e rh a da d o p t e d c u r r e n tm o n i t o r i n gm e t h o dt or e a l i z et h e r e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ev e l o c i t yo fe o fi np m m ac h i p t h r o u g hc o m p a r e da n d a n a l y s e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t e dd a t at of i n dv e l o c i t yv a r i a t i o n sw i t h t h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i ci n t e n s i t yb ye x p e r i m e n ta n dp n pm o d e lf o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r et h es a r e e ，s ov e r i f i e dt h et h ea c c u r a c yo ft h ep n p t h a b s t r a c t m o d e l s f o u r t h l y , t h i sp a p e rh a ds t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe o fi ne n t r a n c ea r e ao f 2 dm i c r o c h a n n e l i o nc o n c e n t r a t i o nd i s h f i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i nd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n , a n dt h ei n f l u e n c e so fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n , t h eh e i g h to f m i c r o c h a n n c la n de l e c t r i ci n t e n s i t yo nt h ee o fv e l o c i t yi ns t e a d ys t a t et h r o u t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yp n pm o d e l s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n de o fv e l o c i t y 懈 n o n l i n e a rr e l a t e d , h i g h - c o n c e n t r a f i o ns o l u t i o nh a ds l o w e re o fv e l o c i t y t h eh e i g h to f m i c r o c h a n n e lb a r e l ya f f e c t e de o fv e l o c i t y e o fv e l o c i t yl i n e a rg r o w e dw i t he l e c t r i c i n t e n s i t yi n c r e a s e d n d u g ht h ec o n t r o l l i n go fo l u t i o nc o n c e n t r a t i o n a n da p p l i e d e l e c t r i ci n t e n s i t y f i n a l y , t h r o u t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yp n p m o d e lt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe o fi n2 dm i c r o c h a n n e lw i t hn o n - u n i f o r mz e t ap o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no nt w o w a l l s ，s t e pc h a n g ei nz e t ap o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na n dz e t ap o t e n t i a lc o m p l i c a t e d d i s t r i b u t i o na l o n gf l o wd i r e c t i o n i th a df o u n dt h e r ew a sf l o wc i r c u l a t i o ni ns t e p c h a n g ei np l u s - 曲l l sz e t ap o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na n ds t e pc h a n g ea n dl i n e a rc h a n g e w i t hd i s c o n t i n u o u sz e t ai nc h a n gp o i n ta l t e r n a t ed i s t r i b u t i o na l o n g f l o w d i r e c t i o n f l o wc i r c u l a t i o ni nt h el a t t e rw a ss t r o n g e rt h a ni nt h ef o r m e r i tc a ni n f e r t h a ts t e pc h a n g ea n dl i n e a rc h a n g ew i t hd i s c o n t i n u o u sz e t ai nc h a n gp o i l l ta l t e r n a t e d i s t r i b u t i o na l o n gf l o wd i r e c t i o nc o u l de n h a n c et h em i c r o m i x i n ge f f e c t i v e l y t h r o u g h m i c r o c h a r m e l ss u r f a c em o d i f i c a t i o np r o c e s s i n gm e t h o dt oc h a n g ez e t ap o t e n t i a l d i s t r i b u t i o no fc h a n n e l ss u r f a c ec a ne n h a n c em i c r o m i x i n gi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p o i s s o n - n e r n s t - p l a n c k ；p o i s s o n - b o l t z m a n n ；m i c r o c h a n n e l ： e l e c t r o o s m o t i cf l o w ：z e t ap o t e n t i a l ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是在微电子技术基 础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，它涉及多个学科范围，包括机械 工程、电子工程、材料工程、物理学、化学和生物医学等i l 】。m e m s 从广义上包 含了毫米和微米尺度的机械，它并非单纯是宏观机械的微小化，而是指可以批 量制作的，集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制电路， 直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统【2 j 。m e m s 涉及多学科交叉应用，应 用前景广阔，现已应用在众多生产、生活和科学研究领域，如工农业生产、信 息化科学、航空航天和生命科学研究，具体有农业基因工程、环境监测、微卫 星中的微惯导装置、细胞操作、精细外科手术等【i 】。近几十年，世界各国均有专 家学者致力于微机电系统领域的研究发展，m e m s 科学技术在理论和实际应用 方面硕果累累，并将逐渐发展成为一支庞大的高新科学技术，为人类社会带来 一场新的革命。 微机电系统技术的一个主要研究方向是微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m ，p t a s ) ，亦称为微流体芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 或芯片实验室 ( l a b o r a t o r y o n a - c h i p ，l o c ) ，通过m e m s 加工技术将微阀、微通道、微反应 器等微器件单元集中到一块几平方厘米的芯片上，以集中系统地完成样品处理、 化学反应、分离、放大等过程，将分析实验室的职能集中转移到芯片之上。实 现了实验分析系统从样品前处理到最终检测过程微型化、集成化、自动化和简 便化【3 】。 在微流控芯片中，样品的各种反应、分离或混合都离不开流动，微通道内 流体的驱动与控制技术至关重要，严重影响着微流控芯片在微型化和精密化的 发展。微观下流体特性与宏观流体由较大差别，尤其是微观下尺度效应和表面 张力等因素对流体流动特性的影响，使宏观流体驱动和控制技术不适用于微流 体，微流体的驱动与控制更加复杂和多样【4 】。 微流控芯片常用的驱动方式有压力驱动和电渗驱动，压力驱动液体流动需 要较大的压差，敌对微流控装置的密封性有严格要求，稍有不慎就容易出现泄 第l 章绪论 露的危险，且不易控制。电渗驱动通过对外加直交流电源的操作来实现对电渗 流的控制，比压力驱动更容易控制，且微通道中截面电渗流分布呈平滑塞状， 与压力流的抛物线状截面速度相比，可以大大减小样品泄露的风险，同时有利 于对微流控芯片中试剂输运和分离【5 ，6 1 。 随着微加工工艺的发展，微流控装置制造的微型性要求将会得以解决，然 而微通道内流体输运过程受众多复杂因素影响，对这一现象理解的匮乏加大了 微流控芯片的设计和操控。因此微流控基础理论研究成为微流控芯片进一步发 展的必需【6 j 。 国内外很多学者采用p o i s s o n b o l t z m a n n 模型模拟电渗流的特性， p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程适用于离子分布不受流体流动影响的热力学平衡状态， 尽管p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程在稳流直通道的情况下是合理适用的，但是在很多 情况下，离子依然存在对流扩散的情况，在这种条件下，就需要采用 p o i s s o n - n e m s t - p l a n c k 方程代替p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程来建立模型。当电渗流通 过一个突然扩张或突然收缩的通道时，流线会偏离直线；当流体通过微通道时 由于其z e t a 电势的不均匀分布导致了局部性的涡流产生；当电渗流通过一个狭 窄的微通道时，这个通道的双电层在通道中央重叠这些情况下都必须采用 p o i s s o n - n e m s t p l a n c k 方程才能更好的描述离子在双电层中的分布r 7 1 。 与理论分析和数值模拟研究相比，实验验证同样重要。通过有效的方法实 现对微通道电渗流的实时检测为系统研究电渗流输运特性提供有效的实验数 据，为微流控技术的进一步应用提供了实验依据。 1 2 微流控发展概述 1 2 1 国外发展概述 在上个世纪9 0 年代初，m a n z 与w i d m e r 首次提出了微全分析系统的概念隅】， 此后几年间m a n z 等【9 1 0 】对毛细管电泳现象和流动注射进行了研究，将微系统的 构型定为厚度小于5 m m ，面积小于十几平方厘米的芯片【3 】，并运用荧光标记法 进行了氨基酸分离实验，开创了微流控芯片技术之先河【1 1 1 。 自1 9 9 4 年起，美国的r a m s e y 等【1 2 】通过改善毛细管电泳进样方式，提高了 电泳分离效率。同年，首届9 t a s 会议在荷兰e n c h e d e 召开，全面推动了微全分 析系统研究t 3 。1 9 9 5 年，w o o u c y 和m a t h i e s l l 3 1 自行研制了电泳芯片并对d n a 测 2 第1 章绪论 序进行了实验研究，在5 4 0 s 内读出了1 5 0 个碱基，准确率达到9 7 ，为微流控 芯片商业化进程奠定了基础。1 9 9 5 年9 月，美国g a l i p e r t e e h n o l o g i e s 公司作为 第一家微流控芯片企业正式成立，并且在一年内融资达千万美金【3 】，进一步表明 了微流控产业的广阔前景。 1 9 9 6 年w o o l l e y 等【1 4 】将聚合酶链反应( p c r ) 与毛细管电泳集成在一起， 展示了微流控芯片在基因分析领域的应用前景，同时为微流控技术在基因科学 领域的应用奠定了基础1 3 i 。1 9 9 8 年，b u r n s 等【1 5 】运用光刻加工工艺制造了一种用 于d n a 分析的微流控芯片，该芯片囊括了样品进样器、混合器、定位系统和可 控温的反应室，可在电泳分离过程中实现荧光检测【l l 】。1 9 9 9 年，m a t h i e s 等【1 6 】 设计并制作了含有9 6 条电泳分离通道、直径为l o 厘米的圆形毛细管阵列电泳 芯片，成功突破了样品在连续分离过程中彼此污染的局刚1 7 1 。 新世纪第一年，a n d e r s o n 等i l 引设计了一种集成多种功能的微流控芯片，该 芯片可实现多种样品的一系列复杂反应，例如能从毫升量级的水溶液中提取浓 缩核酸，并连续进行微晶化学扩增、酶反应、杂交、混合和测定等。此芯片最 多可满足数十种样品的六十多个连续操作【l l 】。2 0 0 1 年，英国的m i t c h e l l 等【1 9 】成 功研制了微芯片合成全分析系统( s y n t a s ) ，该系统可在不借助其他样品制 备和额外操作，实现多种合成操作同时进行。t h o r s c n 等 2 0 l 于2 0 0 2 年设计了一 种将数百个反应器和数千个阀集成在一起的高度集成微流控芯片，由此表明微 流控芯片已逐步由实现单一电泳分离功能向大规模多功能集成实验室发展团】。 微流控科学研究进入新世纪之后，各国学者将目光投向了新型微流控芯片 的设计及制作工艺方向，有力推动了微流控芯片的应用研究及产业化进程。 2 0 0 3 年i n a t o m i 等1 2 l 】通过光刻蚀加工工艺方法成功设计并制作了一种p d m s 芯片，并进行了电泳分析d n a 实验。日本的h i s a m o t o 等瞄】人在2 0 0 4 年成功研 制了一种新型p d m s 电泳芯片，该芯片以网络状结构集成了多种反应功能，包 括有微混合、反应及化学修饰等功能田】。同年，美国a l e x a n d e rm u c k 等【2 4 】运用 注塑成型工艺成功制作了一种p m m a 芯片，运用硅模板将微通道复制到基片之 上，芯片经过测试后表明p m m a 芯片中微通道表面十分光滑。2 0 0 5 年，日本东 京大学的d a n gf 等 2 5 1 运用l i g a 技术加工了镍基阳模，并运用注塑成型技术加 工方法制作了一种p m m a 芯片，通过对芯片制备工艺的研究发现在室温下手工 操作压力敏感材料通过叠层封合的方法封合芯片有效提高制备效率。美国加州 大学的m a i r 等【2 6 】于2 0 0 6 年运用注塑成型技术成功制作了一种以热固性塑料为 第1 章绪论 材料的耐疲劳磨损且能多次重复利用的微流控芯片，并对加工工艺改进和芯片 材料选择进行了深入研究j 。 进入新世纪后微流控芯片在生命科学领域得到了广泛应用，各国学者在这 方面进行了大量研究。2 0 0 7 年，g r o s s 等【2 9 】将微流控芯片应用在了神经科学研究 中。同年，y o o n 等【2 9 l 对微流控在生物分析领域中的应用进行了研究。y a i r i 等【3 0 】 对大规模并行微泵在药物输送及冷却分析中应用的可行性进行了研究分析。g a o 等1 3 l 】运用电渗驱动微流控芯片进行人类血清的免疫检测研究，提出微流控芯片 在病理检测领域具有广阔应用前景p z l 。 随着微加工工艺的不断进步，近几年微流控科学领域研究也飞速发展，其 中以新型的微流控液滴技术为代表。美国m i c h i g a n 的l i 等1 3 3 j 将毛细管液相色谱 柱后的样品收集借助微流控芯片来实现，同时还完成了离线电喷雾离子质谱检 测，由此拓宽了微流控技术在新药开发等多领域的应用。加拿大t o r o n t o 的 w h e e l e r 等【3 4 】通过联合运用微流控中数字液滴与电泳技术，成功设计制备了一种 能对多种样品同时进行操作的新型数字液滴通道联用微流控芯片。美国h a r v a r d 的w e i t z a 3 5 】研究团队设计并搭建了一种运用微流控液滴芯片实现高通量筛选的 新型筛选系统，该系统在筛选通量与速度上均优于现有系统设备1 3 6 。 1 2 2 国内发展概述 我国在微流控科学领域起步比其他发达国家要晚，在该研究方向上的投资、 技术基础与发达国家相比存在一定的距离，但在微流控芯片研究中同样取得了 一系列成果。 1 9 9 9 年，我国基于m e m s 加工技术的第一个微流控芯片重点项目启动，此 后，国内的微流控研究进入了全速发展时期。2 0 0 1 年5 月第1 6 5 次香山科学会 议“微型全分析系统学术讨论会在北京香山饭店召开，通过多学科参与的深 入讨论，促进了各学科的交叉融合，加强了微全分析系统的基础与应用研究， 倡导企业提前介入与关注，为将来以具有自主知识产权的研究成果中国的微流 控分析芯片市场作准备。随之国家自然科学基金委启动了题目为“微流控生化 分析系统的基础研究”的重大研究项目，这个项目对我国微流控芯片技术的发 展起到很大的推动和促进作用。2 0 0 2 年7 月首届“微流控系统学术会议 在北 京召开，开启了我国系统研究微流控科学的新新时代，至今微流控系统学术会 议已陆续召开了六届，从参会人员、论文数量和学术水平上都有很大的提高， 4 第1 章绪论 体现了我国在微流控系统研究方向上的迅速发展。此外，国内学者为加强在学 术研究方面的讨论交流，于2 0 0 7 年1 0 月在沈阳召开了首届“沈阳国际微流控 学学术论坛 ，会上邀请了1 5 位微流控科学领域世界顶尖的专家学者做特邀报 告，加强了国内外相关研究机构的交流，促进了微流控学在我国的发展。同期， 2 0 0 7 年1 0 胃2 9 日到“月2 日，第一届“中法微流控学术研讨会( 1 s tf r e n c h c h i n e s es y m p o s i u mo nm i c r o f l u i d i c s ) ”在中国科学院力学研究所圆满举行，除了 国内微流控相关领域的单位之外，还有来自法国巴黎、图卢兹、马赛、里尔和 波尔多等地的1 0 个科研院所也参加了研讨会。中法两国的代表们从“l a b0 1 1a c h i p ”、“g a sm i c r o f l o w s 、“l i q u i dm i c r o f l o w 一、“d r o p l e t s ，s u r f a c e sa n df i l m s 和 “m i c r o f a b f i c a t i o n ”五个方面对微流控中的前沿问题进行了深入交流，同时还就 加强双方在相应科研领域的合作进行了深入探讨。2 0 0 8 年1 1 月在南京召开了第 二届“国际微流控学会议暨第五届全国微全分析系统学术会议 。2 0 0 9 年4 月“全 国微流控技术及应用学术研讨会 在杭州举办，就微流控学在生物、化学、药 物、临床等方面的应用研究进行交流讨论。2 0 1 0 年1 0 月第六届“全国微全分析 学术会议 在上海举办，多位国内著名专家学者做了大会报告，并同参会研究 者一起探讨了微全分析领域当前的发展趋势和最新研究成果。 经过7 年的研究，我国在微流控生化分析系统的基础研究中取得了令人欣 喜的成果，2 0 0 8 年国家自然科学基金又启动了重大项目“微纳流控生化分析集 成系统的研究 ，旨在促进微纳流控芯片系统的研制以及在生物细胞等多领域内 的应用研究。至此我国的微流控技术向高尖端领域迈进。 就微流控专著领域丽言，方肇伦院士子2 0 0 3 年撰写了我国第一部以微流控 芯片为主要内容的的专业书微流控分析芯片 a 7 j 。2 0 0 5 年，方肇伦院士微流 控研究方向的第二本专著微流控分析芯片的制作及应用p s l 出版，书中全面 系统地介绍了全球在微流控技术领域的发展状况和最新成果，并详细分绍了微 流控芯片的制作和加工技术，对微流控芯片在生命科学领域的应用进行了详细 说明。同年，有陈忠斌主编，涵盖了生物芯片技术概况、寡核苷酸芯片技术、 d n a 微阵列技术、蛋白质芯片技术、组织芯片和细胞芯片技术的著作生物芯 片技术【3 9 】出版。2 0 0 6 年林炳承和秦建华编写了微流控芯片实验室【帅】，阐 述芯片、芯片上各种单元操作和不同的检测技术：2 0 0 8 年林炳承和秦建华主编 的另一本专著图解微流控芯片实验室1 4 1 】出版发行，书中全面概述了芯片实 验室各项单元技术及其集成，并介绍这一技术在生命科学中的应用。2 0 0 9 年， 第1 章绪论 陈文元和张卫平在其主编出版的集成微流控聚合物p c r 芯片【4 2 l 中阐述了单 片微型结构的高效廉价集成微流控聚合( 聚合酶链式反应) 芯片的设计、制造、 控制和实验技术。 从国内微流控相关研究机构的科研成果及学术论文的发表情况可以看出， 无论是基础理论研究还是应用实践，我国在微全分析系统领域都取得了一定的 成果。2 0 0 2 年方群等【4 3 在十字型微流控芯片上实现了对荧光标记的四种不同氨 基酸的分离实验，同时通过改进微流控芯片储液池结构实现了分离过程的高通 量要求m 】。方肇伦等【4 5 】于2 0 0 4 年结合压力驱动和电渗驱动，在微流控芯片上进 行了血红蛋白中的单细胞引入实验，同时还研究了微通道壁面细胞停留、贴壁 现象，为今后微流控技术在单细胞领域的研究提供了实验参考。程介克【4 6 】等通 过在微流控芯片上加载微电极对单个p c i 2 细胞的传输过程进行操控，并实现了 对单个p c i 2 细胞神经递质多巴胺的量子释放的的实时观测【4 7 】。同年，大连物理 研究所运用微流控芯片实验室的科学方法成功研制出s a i l s 病毒基因r t - p c r 电 泳检测系统，通过对s a i l s 病毒的科学分析，实现了聚合酶链反应和电泳检测 的微流控芯片在线分析【4 引。2 0 0 5 年，中国科学院化物所的周小棉等【4 9 】人设计制 备了新型p m m a 芯片金属注塑模，并利用次金属模具制造了大量p m m a 芯片 基片，最后制成了p m m a 芯片1 2 7 j 。 近几年我国在微流控芯片研究领域也取得了众多成绩，其中以大连化学物 理研究所、复旦大学生命科学学院化学系在微流控领域的研究突破为代表。2 0 0 6 年，复旦大学刘云等 5 0 】成功设计了一种应用于微量蛋白分析研究的新型微流控 芯片酶反应器，该成果标志着微流控芯片在微量蛋白研究领域应用的巨大潜能。 沈峥等【5 1 】自行研究设计并制作了一种针对单生物大分子电泳分离的新型微流控 芯片。并通过实验研究证明了该芯片的高精度及高效率，该研究成果预见了微 流控芯片在生物大分子研究领域的应用前景m 】。2 0 0 7 年，同样是来自复旦大学 的l i u 等f 5 2 】在数字化微流控芯片中通过胰蛋白酶的溶胶凝胶的注入，实现了低 通量蛋白酶解，验证了数字化微流控技术应用在制备蛋白领域的可行性。 2 0 0 7 年至2 0 0 8 年期间，大连理工大学的应俭【5 3 】、张传赞 5 4 1 等针对p m m a 材料的十字型微流控芯片，对其加工工艺进行了实验研究，提出模具温度是影 响微沟道复制度的最主要因素，其次是注射速度，影响最小的是注射压力【2 7 1 。 2 0 1 0 年，s h i 等f 5 5 】在液滴微流控研究中取得了新突破，成功搭建了基于液滴微流 控技术的药物筛选系统，并通过实验研究了神经毒素诱导线虫产生的运动、神 6 第1 章绪论 经元变性和氧化应激等多种行为，为今后微流控技术在神经学研究中的应用奠 定了基础。同年，l u 等【5 6 】在微流控芯片制各研究中同样取得新进展，选择运用 酸纤维素膜为制作材料，研发了一种基于喷蜡打印技术的新型微流控芯片制备 工艺方法，该方法具有工艺简单、易操作、低成本等特点，同时在芯片制备过 程中显著降低了以往制备工艺中常出现的交叉污染，这种新型工艺方法可应用 于现场实时检测和远程诊断领域l 吲。 从以上概况可看出，我国微流控科学领域的研究已从最初的基础理论迈向 生命科学、工业、信息等实际应用方向发展，并逐渐拉近了我国与发达国家之 间的学术差距，其中某些科研成果已经达到国际领先水平。 1 3 电渗流研究现状 微流控芯片分析系统通过对其各种构型的微通道中流体的控制，实现芯片 系统的各种分析功能，因此对微流控芯片微通道内流体驱动技术的研究是实现 微流体控制的前提和基础。随着微流控芯片科学的革命性发展，微流控芯片中 微流体的驱动及控制技术成为了微流控领域的研究热点。微流体因器件尺寸的 缩小而产生尺度效应等特殊现象，与宏观流体有着显著区别，传统的力学理论 不适用于微流体。微流体有着其自成体系的驱动方式， 在微机电领域，微流体的驱动和控制技术分类众多，根据驱动机制的不同 分为微流体机械驱动系统和微流体非机械驱动系统两大类，其下又有详细分类， 微流控芯片分析系统中各种常见的微流体驱动系统的分类表，如图1 1 【3 7 】所示。 7 第1 章绪论 徽流体驱动系统 徽流体机械驱动系统 热气动徽泵 静电微泵 气动微泵 电化学致动汞微泵 “无阔”往复微泵 离心力驱动系统 剪切力驱动系统 微流体非机械驱动系统 电洛微流体驱动系统 电流体动力微泵 磁流体动力徽泵 重力( 流体静压力) 驱动系统 非机械热气动微泵 热毛细作用微泵 图1 1 微流体驱动系统 在微流控芯片研究中，通常运用微通道两端的压力差或在两端施加外电场 来驱动微尺度下的流体运动，也就是通常所说的压力驱动和电渗驱动。在压力 驱动下，微通道中压力流( p r e s s u r e - d r i v e nf l o w ) 的截面速度分布呈抛物线形状， 降低了分离效率，并且因压力驱动不易控制且具有较高的泄露危险，对微器件 密封性等工艺特性要求高。在电渗驱动下，靠近微通道壁面的电解液中带电正 电荷在通道两端的外电场作用下迁移，从而带动完全发展区中的流体一起运动。 电渗驱动不需要外加微泵等微器件，结构简单，容易实现和控制，且微通道中 电渗流( e l e c t r o o s m o t i cf l o w ，e o f ) 截面速度分布呈平滑塞状，与压力驱动相比 具有较高的分离效率。有利于试剂输运和分离，因此电渗驱动在微流控研究领 域尤其是毛细血管研究中得到了广泛的应用，成为目前应用最广泛的的微流体 驱动与控制方法之一，电渗流也成为国内外的研究热点。 1 3 1 理论基础研究 众所周知，动电现象源自流体与微通道壁面双电层之间的相互作用，r i c e 8 第1 章绪论 和w h i t e h e a d t s r l 作为最早开展微流动领域研究的学者之一，分别对压力和电场驱 动下毛细血管中的稳态流体进行了研究分析。l e v i n e 等酬研究了平行板微通道 中的稳定电动流，同期还运用r i c e 和w h i t e h e a d 研究的扩展半解析法求解了较 高表面电势1 5 外。b u r g r e e n 和n a k a c h e l 6 0 ) 针对平行狭缝中的电动流提出了完整的解 析解。y a n g 酏，6 2 】和他的研究团队以及m a l a 等【6 3 】研究了稳流在矩形粗糙度表面平 行板微通道中的输运特性。b o w e n 和j 黜l d 6 q 对带电毛细管中的电粘性效应进 行了深入研究，并提出了一种求解p o i s s o i 卜b o l t z m a n n 方程的数值方法。 h a r d e n 等 6 5 l 在1 9 9 6 年运用随时间变化的电扩散n e r n s t - p l a n c k 方程，研究 了脉冲电离子在外部电场作用下通过人工细胞膜中的输运动特性。运用数值方 法计算了外加脉冲电流薄膜中的离子浓度及均匀分布的离子流，并对比外加恒 定电流且化合价均衡的离子流。结果表明，脉冲电流频率较高时，和负离子扩 散到薄膜的特征速度相比，离子浓度在等价恒定电流稳态浓度睦线周围振幅小。 在这个范围内，脉冲电流平均通量和恒定电离子假设在本质上相等。然而在低 脉冲频率下，当另一种高淌度离子出现时，一种低淌度离子的少量通量可能会 增大。1 9 9 9 年，s a m s o n 等 6 6 1 提出数值模型最重要的特征在于能够根据给出的化 学梯度描述电解质溶液离子的迁移，通过求解扩展的n e r n s t - p l a n c k 方程组模型 研究了离子扩散机制，并运用有限元方法求解n e m s t - p l a n c k 方程组的非线性方 程。分别采用该模型和解析解方法求解一个简单问题并得到了相同解，由此验 证了模型的准确性。作者还运用n e m s t - p l a n c k 模型对复杂的问题进行了研究分 析，结果表明该模型在复杂问题中求解具有较高精确性。 近几年微流控领域研究者采用多种理论方程模型研究分析了电渗流特性。 f u 等【6 玎运用非线性二维p o s s i o n 方程描述外加电场和固液界面处的z e t a 电 场，n c r n s t - p l a n e k 方程描述离子浓度场，并通过有限差分法数值求解平行板微 通道中电渗流分布。结果表明微通道入口区域的双电层厚度比完全发展区要薄， 入口区域的速度剖面有明显变化，且雷诺数变大，沿通道流向速度剖面呈内凹 状；当雷诺数较小时，流体的粘度效应和粘性作用较强，通道壁面附近的流体 带动中心区域的流体运动，因此微通道截面速度分布呈平滑塞状。 y a n g 等 6 s 研究了微通道中电渗流的瞬态特性，运用双曲线函数的一种近似 解实现了对完整p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程和n a v i e r - s t o k e s 方程的求解，精确计算 得到了微通道截面电势分布和瞬态电渗流场。结果表明双电层和微通道的几何 形状都会影响到瞬态电渗流的输运特性。c h u n 等岬j 运用线性p o i s s o n - b o l t z m a n n 9 第1 章绪论 方程计算了微通道中电渗流速度，研究分析发现随着微通道宽度的减小，溶液 离子浓度、固体壁面z e t a 电势和微通道高度对通道剖面电渗流速度分布的影响 增强。感应电势会随着压力梯度的增大而增强，随着离子浓度的升高而减小。 l i r a 等【_ 7 0 】运用修正斯特恩层的n e m s t - p l a n c k - p o i s s o n 方程对瞬态双电层进行了 有限元分析，介绍了瞬态非线性n c r n s t - p l a n c k - p o i s s o n ( n p p ) 和n c m s t - p l a n c k - p o i s s o n - m o d i f i e ds t e m ( p m s ) 模型的有限元分析法。研究结果表明p o i s s o n - b o r z m a n n 方程只能有限应用在表面电势和浓度较低电解质溶液的瞬态情况下， 并且重点研究了表面电势和溶液浓度对电势的影响以及离子浓度随空间和时间 作用的影响。 1 3 2 数值模拟研究 在数值模拟研究中可以采用限差分方法