（机械电子工程专业论文）弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在微流控电泳芯片中，分离微通道的形状对样品电泳输运特性有重要影响。弯曲微 通道有助于增加分离通道的长度和减小外界压力梯度的干扰。但是，当样品区带通过弯 曲微通道后，将会产生倾斜和扭曲而造成区带增宽。弯曲微通道引起的样品区带增宽现 象称为“弯道效应”。弯道效应极大地降低了微流控电泳芯片的分离效率，甚至能导致 分离分析失败。理论分析表明，弯曲微通道的宽度是弯道效应的主要决定因素。本文主 要研究了具有不同收缩比的弯曲微通道中的样品电泳输运特性，以期优化收缩弯曲微通 道的尺寸参数，为微流控电泳芯片的设计提供指导。 本论文采用坐标变换和有限体积法对弯曲微通道中的电场分布、流场分布和样品浓 度场分布进行了数值计算，考察了收缩比对样品输运速度和区带增宽程度的影响。在数 值计算的基础上，制作了玻璃微流控电泳芯片，采用荧光可视化微流体实验技术，在微 流控动态观测平台上实验研究了弯曲微通道中的样品电泳输运特性，验证了数值计算结 果的正确性。 数值计算结果表明：对于宽度为8 0 z m 的分离微通道，收缩比为3 1 2 5 时，弯曲微 通道内壁附近平均速度与外壁附近平均速度比值为1 0 4 ，通道截面速度流型近似为塞状 且样品平均速度达到最大；而收缩比大于或小于3 1 2 5 时，通道截面速度流型均偏离 塞状且样品平均速度变小。样品在通过收缩比为3 1 2 5 的弯曲微通道后区带增宽程度 仅为通过1 8 0 。等宽圆弧弯曲微通道后的1 2 8 ，弯道效应引起的区带增宽最小。实验结 果也说明，分离微通道中样品输运速度和弯道效应引起的区带增宽程度与数值计算结果 不但在定性上一致，而且归一化处理后在定量上一致。 综合数值计算和实验结果，对于宽度为8 0 9 r n 的分离微通道，采用收缩弯曲微通道 降低样品区带增宽时的最优收缩比为3 1 。当收缩比进一步减小，收缩扩张口结构尺寸 的变化引起流场趋向于抛物线压力流，弯道效应引起的区带增宽减小的同时，压力流引 起的区带增宽增加，使得总体区带宽度呈缓慢增加趋势。 关键词：微流控电泳芯片；弯曲微通道；弯道效应；收缩比；输运特性 陈国强：弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究 r e s e a r c ho ns a m p l ee l e c t r o p h o r e s i st r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c si n m i c r o c h a n n e lt u r n s a b s t r a c t h 1m i c r o f i u i d i ce l e c t r o p h o r e s i sc h i p s ，t h eg e o m e t r yo ft h es e p a r a t i o nm i c r o c h a n n e lh a s a l li m p o r t a n ti m p a c to ns a m p l ee l e c t r o p h o r e s i st r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c s m i c m c h a r m e lt u r n s c o n t r i b u t et oe x t e n d i n gt h es e p a r a t i o nl e n g t ha n dr e d u c i n gt h ed i s t u r b a n c eo fe x t e r n a lp r e s s u r e g r a d i e n t h o w e v e r , s a m p l eb a n d sb e c o m es k e w e da n dd i s t o r t e da f t e rm i c r o c h a r m e lt u l n s t l l i s s t r e t c h i n go ft h es a m p l eb a n da si tt r a v e r s e sa t u r ni sk n o w na st h er a c e t r a c ke f f e c t , a n di th a s t h ep o w e rt o d r a s t i c a l l yr e d u c et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , p e r h a p s e v e nr e s u l t si nt h e b a n k r u p t c yo fs e p a r a t i o na n a l y s i s t h e o r yh a ss h o w nt h a tt h em a i nf a c t o rr e s p o n s i b l ef o r r a c e t r a c ke f f e c ti st h ew i d t ho ft h em i c r o c h a n n e lt u r n h e r e ，t h es a m p l ee l e c t r o p h o r e s i s t r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c si i lm i c r o c h a n n e lt a r n s 稍md i f f e r e n tc o n s t r i c t i o nr a t i o sa r ec o n d u c t e d t oo p t i m i z et h ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e ro ft h e s en a r r o w e dt u l - n s t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi s t op r o v i d i n gg u i d a n c ei nd e s i g n i n gt h em i c r o f l u i d i ce l c c t r o p h o r e s i sc h i p h lt 1 1 i s d i s s e r t a t i o n , t h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l d v e l o c i t yf i e l da n ds a m p l e c o n c e n t r a t i o nf i e l da t es o l v e dn u m e r i c a l l yw i t hc o o r d i n a t et r a n s f o r ma n df i n i t ev o l u m e m e t h o d ，a n de f f e c t so fc o n s t r i c t i o nr a t i oo ns a m p l et r a n s p o r tv e l o c i t ya n db a n db r o a d e n i n ga r e p r e s e n t e d b a s e do nn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，g l a s sm i c r o f l u i d i cc h i p sa r ef a b r i c a t e d ，a n d e x p e r i m e n t su s i n gm i c r o f l u i df l u o r e s c e n c ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya r ec o n d u c t e dt os t u d y s a m p l ee l e c t r o p h o r e s i st r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c si nm i c r o c h a n n e lt u n l s ，w i t ht h ea i mt ov e r i f y r e s u l t so f n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n r e s u l t so fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o ni i ls e p a r a t i o nm i c r o c h a n n e l s 、v i t haw i d t ho f8 0 # m s h o wt h a t ，r a t i oo fa v e r a g ev e l o c i t yi ni n n e rw a l lt ot h a t i no u t e rw a l li s1 0 4i nt h e m i c r o c h a n n e lt u r n 嘶也31 2 5 c o n s t r i c t i o nr a t i o a n dv e l o c i t ys h a p ei sp l u g s h a p e da n d a v e r a g ev e l o c i “v a l u e 证t h em i c r o c h a n n e lt u r ni sm a x i m i z e d w h i l eh i g h e ro rl o w e r c o n s t r i c t i o nr a t i o sr e s u l ti nd e v i a t i o nf r o mp l u gs h a p ea n dd e c r e a s eo fa v e r a g ev e l o c i t yv a l u e ； s a m p l eb a n db r o a d e n i n ga f t e rt h em i c r o e h a n n e lt u r nw i t h31 2 5 c o n s t r i c t i o nr a t i oi so n l y 1 2 8 o ft h a ta f t e rac o n s t a n tt u r n ，a n dt u r n - i n d u c e dd i s p e r s i o ni sm i n i m i z e d e x p e r i m e n t a l r e s u r sa l s oi n d i c a t et h a t e l e c t r o p h o r e s i st r a n s p o r tv e l o c i t y o ft h es a m p l eb a n di nt h e m i c r o c h a r m e lt u r na n db a n db r o a d e n i n gc a u s e db yr a c e t r a c ke f f e c ta g r e e v e r yw e l lw i t h r e s u l t so fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，n o to n l yq u a l i t a t i v e l yb u ta l s oq u a n t i t a t i v e l ya f t e rt h e n o r m a l i z a t i o n 盔垄堡三奎堂堡主鲎垡笙苎 b a s e do nn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u r s f o rs e p a r a t i o nc h a n n e l s 谢maw i d t ho f 8 0 i m 31 i st h eo p t i m a lc o n s t r i c t i o nr a t i ot or e d u c eb a n db r o a d e n i n gb ym _ t r o d u c i n g n a r r o w e dt t l r n s a st h ec o n s t r i c t i o nr a t i of u r t h e rd e c r e a s e s ，c o n s t r i c t i o na n de x p a n s i o no f t h e c h a n n e lg e o m e t r yw i l li n d u c eap a r a b o l i cp r e s s u r ef l o w b a n db r o a d e n i n gc a u s e db yt h e p r e s s u r ef l o wo v e r c o m e st h er e d u c t i o no ft h er a c e t r a c ke f f e c t w h i c hl c a d st o a no v e r m l i n c r e a s eo f t h es a m p l eb a n dw i d t h k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i ce l e c t r o p h o r e s i sc h i p ；m i c r o c h a n n e lt u r n ；r a c e t r a c ke f f e c t ； c o n s t r i c t i o nr a t i o ；t r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c s 本文由以下基金资助完成： 1 、国家自然科学重大基金项目( 5 0 1 3 5 0 4 0 ) “微机电 系统中若干关键机械学问题”子课题一“典型微流体器件 输运特性研究”项目； 2 、浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开放基金 ( g z k f 一2 0 0 4 0 0 4 ) 项目。 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：西：圄堑日期：边：兰：12 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：醯! 旦亟 导师签名： 2 丝咝月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 研究背景 电泳是电介质中带电粒子襁电场作用下以不同的速度向电荷极性相反的电极方向 迂移的现象，利用这种现象对化学或生物化学榉品组分进行分糍分析蛇技术称之为电泳 技术。毯细管电泳( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ) 技术是2 0 檄纪8 0 年代中精期迅速发展起采 的一种分离分析技术，具有快速、高效、样品消耗少、仪器要求简单等优点，广泛应用 于生命科学、垒物技术、镪寐医学、药物学和环境保护等领域。毛细警电泳技术的发展 不仅在理论基础上得到了不断的完善，同时在方法和威用领域方面得到了长足的开拓。 黼前，分离分析领域一个鑫益翡霾髂发矮趋势就是分轿仪器豹徽鍪纯、集成亿鞍便携讫。 2 0 世纪9 0 年代初瑞士的m a n z 和w i d m e r 提出了以微机电加工技术 ( m i c r o 。e l e c t r o - m e c h m u i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 为基韬静“徽垒分析系统”( m i c r ot o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，# t a s ) 的概念 1 】，引起了研究人员的广泛关注。“t a s 的目的就是通 遵分褥仪器豹徽瀣 二与集残纯，最大限璇逮把分撰实验塞静臻艉转移嚣褒携式豹分辑设 备中，麓至集成到方寸大小的芯片上。在此后的发展过程中，研究者们迅速把“t a s 的 发展重蕊定位奁罄予m e m s 技零蕊平援玻璃、蠢英、瀵辩等秘辩上豹徽流控敷濠芯片。 微流控电泳芯片就怒利用m e m s 技术在玻璃、石茨、硅、塑料等基片上刻蚀出微 渡道秘其它鲍功单元，震盖篾将其封瓣，在魄场兹馋鼹下，遴：蓬不翳数逶遴瓤络、及 威器、擒测单元等的设计和布局，实现样品的进样、反成、分离和检测。在分离原理上， 它与赏救毛细管电泳穗戗，但是遴每分褰分掇的硬传系统却鸯羲厦静飞跃，提关载分离 嫒论也有了新的内涵。芯片作为其硬件的核心，加上一定外部设备( 如电源、光学和电 化学检测器等) 形成一个完整的微漉控电泳芯片分板系统。图l 。l 为最茨荸的微沆控宠 泳芯片分析系统示意国。芯片邋道网络结构为十字形，在通道端部设计有四个储液池， 1 为样品池，2 为样品废液池，3 为缓冲溶液池，4 为缓冲液废液遵。电泳分攒时，先农 避样通邋( 图1 1 中i 以) 旄加电压，在电渗流的作用下，样品从1 经十字交叉硒流向2 ； 然后把电压切换列分离通道( 图1 1 中3 4 ) ，储存在十字交叉口处的一段样品溶液程 电渗流的推动下进入分掰通道避行分离，组分缀过检测点d 时，记录电泳图谱。 在芯片上进行毛细舒电泳分析主要县有以下优点： ( 1 ) 竣电场作为流体豹驱动力，遴过调节电场强度豹大小和方囱，可方便地实现 进样、分离、汇流、分流等操作，无需机械泵和机械阀，符合微型化、集成化、自动化 豹发震爱慕。 陈国强：弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究 2 i d u - 1 回 图1 1 微流控电泳芯片分析系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f t h es e p a r a t i o ns y s t e mf o rm i c r o f l u i d i ce l e c t r o p h o r e s i sc h i p ( 2 ) 由于玻璃等芯片具有较好的散热性能，电泳分离时产生的焦耳热能得到有效 的逸散，因此可以在通道中施加常规毛细管电泳难以达到的高场强，结合小体积进样的 功能，实现高速、高效的分离。 ( 3 ) 可以采用区带电泳、凝胶电泳、等电聚焦、等速电泳、胶束电动色谱、电色 谱等不同的分离模式，实现小无机离子至生物高聚物的快速分离，与激光荧光、电化学 和质谱等高灵敏度的检测器联用，可以方便地进行各种复杂样品中的微痕量组分的分离 与测定。 ( 4 ) 借助于m e m s 技术，还可以在芯片上加工出各种流动分析单元，偶联成以电 泳分离为中心的微型化、集成化和自动化的微全分析系统。 正是由于以上突出的优点，微流控电泳芯片在t a s 发展的前十多年中，得到了飞 快的发展，成为目前u t a s 领域中最令人瞩目的一个分支。尤其近年来，微流控电泳芯 片对d n a 、多肽、蛋白质等生物大分子所表现出来的高分辨率、高速、高通量的分析 能力，使它成为后基因时代中最有希望攻克蛋白组学研究、基因临床诊断、药物筛选等 难题的分离手段之一。 有关微流控电泳芯片的第一篇报道【2 是由瑞士科学家m a n z 等在1 9 9 2 年发表的。该 文研究在芯片微通道网络中以电渗为动力实施进样和分离的可能，成功地实现了荧光标 记氨基酸的电泳分离，展示了微流控电泳芯片的发展潜力。不久，这一新颖的分离分析 技术就引起了人们的兴趣，美国国家橡树岭国家实验室、加拿大a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 小组和美国加州大学伯克利的m a r b l e s 小组相继投入了这一领域的基础性研究，研究的 重点集中在芯片电泳的液流控制、进样方法和电泳分离性能的影响因素等方面。1 9 9 4 年前后，h a r r i s o n 小组提出的复杂通道网络中的电渗流控制技术口】和r a m s e y 小组提出的 夹流进样技术【4 ，为微流控电泳芯片的发展奠定了理论和技术平台。2 0 世纪9 0 年代中 大连理工大学硕士学位论文 后期以后，微流控电泳芯片引起各国分析工作者的重视，进入了快速发展的时期。集成 有柱前后反应器的微流控电泳芯片 和阵列通道微流控电泳芯片【7 】的相继研制成功， 自由溶液区带电泳【8 】、凝胶毛细管电泳唧、胶束电动毛细管色谱 1 0 】、电色谱 1 1 】等多种分 离模式在芯片上先后得到开发应用，色谱电泳二维分离微流控芯片【l2 的问世等等成果， 显示了微流控电泳芯片发展的广阔前景。 鉴于微流控电泳芯片在生物医学、高通量药物合成筛选、农作物的优选优育、环境 监测与保护、军事和刑事科学等领域的巨大发展前景，许多世界名牌大学、研究所和分 析仪器生产企业对于微流控电泳芯片均给予了高度重视并积极开展研究。近年来，我国 分析工作者在这一分析化学的学术前沿领域也开展了一系列的研究成果【l ”】。目前，微 流控电泳芯片主要被用于样品的分离分析，要合理设计微流控电泳芯片，则必须了解芯 片微通道中样品电泳输运特性。因此，微通道中样品电泳输运特性的研究成为当前一个 重要的研究课题。 1 2 文献综述及研究现状 1 2 1 微通道中样品区带的增宽 微流控电泳芯片的分离基础是样品不同组分在缓冲溶液中电迁移速度的差异。由于 微流控电泳芯片特殊的微通道结构以及多种进样方法，微通道中样品电泳输运特性与常 规毛细管电泳中样品电泳输运特性既有相同之处，又有很多不同。在电迁移过程中，各 种组分不仅由于它们电迁移速度的差异而被分离，而且亦由于一系列分散因素，如扩散 等的作用而不断地被增宽。为了能对两个电迁移速度相近的物质进行很好的分离，了解 和控制可能存在的分散因素，使电泳输运过程中的分散作用最小是至关重要的。 在常规毛细管电泳分离中，样品区带中的组分除了纵向扩散外，还有许多其它因素 也会使其分散，导致区带增宽，如由焦耳热引起的温度梯度、样品和管壁的相互作用等。 考虑到各种分散因素的影响，用系统总方差盯? 来描述所有分散因素对区带增宽的影响， 于是 西= 以f + o - j 2 j + 盯把2 i 邶+ 盯a 2 d s + 盯d 2 e + o l t + 盯。2 吐l ( 1 1 ) 式中，等号右边各项表示扩散、进样、温度、吸附、电分散、检测和其它因素所弓 起的区带扩展。 除口南和盯五外，其它方差与迁移时间成正比，其比例系数是各项的分散系数d ，。 于是，式1 1 又可表示为 辕国强；弯魏微逸道申撵菇电辣簸遮特蛙的磷究 西= 商+ 吐+ 2 t z d i ( 1 2 ) i 式串，等譬寒边蔫嚣顼分粼是送撵帮捡测方法嚣霆定熬分数，不可能竞众清除，艇 只要仪器设计合理和条件选择得当，可以控制到最小程度，达到最高的分离效率。 微淡控毫泳芯片微透遂孛的缀多，疆蔟与豢艇毛绥管担议，如表露特牲等，瞧选蠢一 些不同，主要体现在微通道结构和进样方法。在实际电泳分离中，样品区带同样会受到 扩散、进榉、瀑度、吸黠、电分数、捻测、魇力撵度簿款影赡，同时也会受剿徽逶遴豹 特殊缩构因素的影响，如微通道弯曲等。因此，在微流控电泳芯片的分离过穆中，式1 1 可以写必 盯? = 仃盏十盯磊+ 盯+ 盯：雌+ 吒s + 盯吼2 e + 畦t + 疗。2 t h ( 1 3 ) 式中，f 。2 。为弯道效应弓l 越的区带方差。下面分掰对这几个影响因素加良讨论。 ( 1 ) 扩散 由于电渗流的扁平流蝥和微通道内壁的抗对流往质，样懿的径向扩散是不重要驰， 对区带增宽有贡献的照样品的纵向扩散。样鼎纵向扩散引起的区带方差为 玉= 2 d r 。( 1 4 ) 式孛：d 为徉晶熬扩散系数；必迁移辩润。透移辩窝受许多分寓参数彩晌，懿辨 加电压、微通道的长度、缓冲溶液浓度等。扩散系数是样品本身的一种物理特性，它随 分子爨兹增麓嚣降 氐。在徽滚控毫泳蕊冀孛，哥鞋采溪寒场强嚣穰级国努予扩散保持在 很低的水平。 ( 2 ) 进榉 就工作原理而言，微流掇电泳芯片与常规毛细管电泳的最大区别是进样方法的不 阉。在徽淀控魄泳芯片躲避捞过程中，避撵量霹强缀好嬲控制( 糖当予交叉口处豹体羧) ， 迸样对区带方差的贡献为 i ，= 1 2( 1 5 ) 式中，。为进样区带的长度。微流控电泳芯片可以通过改变进样方法或进样邋道 的形状来控割避榉嚣露熬长发耪形状 17 - 1 9 】，麸嚣送弱爱好懿分离蠖筑。 ( 3 ) 弯道效应 当样品逶过弯夔徽逸遘黪，终弓| 越区豢熬顿瓣积攫麴，每致区穆淫宽 3 的水溶液中离解使表面带负电荷。负电荷表面与正 电荷样品的静电引力作用，产生强烈的吸附效应。因此，内壁吸附成为电泳分离中的一 个突出问题。由于吸附，使区带增宽，导致峰拖尾或变形，甚至完全消失。 蛋白质、多肽带电荷数多，吸附问题特别严重，是目前分离分析该类物质的一大难 题。因此在实验中必须尽量抑制或消除吸附，最常用的方法有：极端p h 值条件、内壁 涂层等。 ( 6 ) 电分散 电分散起源于样品塞与操作缓冲溶液之阃电场强度的差异。用脚标s 和b 分别表示 样品塞和样品塞以外的微通道其它区域，则相应区域的缓冲溶液浓度和电阻率可分别表 示为认e 、c b 和p 。、风。一般情况下电阻率与缓冲溶液浓度成反比，于是 p s p b = c b cs( 1 6 a ) 陈国强：弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究 电场强度正比于电阻率，因而，式1 6 a 又可迸一步表示为 e ；e b = p s p b = c b c ：= y ( 1 6 b ) 式1 6 b 表明，当，1 时，即样品区带中的缓冲溶液浓度( 或电阻率) 与微通道其它地 方的浓度( 或电阻率) 不同时，就导致样品塞与微通道其它地方电场强度不等，由此产生 电场强度差异，引起区带电分散，使区带增宽、变形。 ( 7 ) 检测器宽度 在微流控电泳芯片分离系统中，检测器区域不是无限小的，它具有一定的空间宽度 。，检测窗口宽度对样品区带方差的贡献为 盯五= 缒。1 2 ( 1 7 ) 为了减小检测器对电泳分离的影响，检测窗口宽度应尽量小。 ( 8 ) 其它增宽因素一压力流引起的扩散增强效应 在微流控电泳芯片中，如果微通道中因某种原因产生压力梯度，就会出现压力流和 电渗流共同驱动样品运动的情况。微通道中一旦产生压力流，将引起扩散增强，使区带 增宽。电泳过程中压力流的产生一般有两种因素。一是储液池液面高度差引起的压力流， 附加在电泳流上引起区带增宽；另一种是场放大引起的压力流，它是由于电场强度的非 均匀分布，导致局部电渗流速度差异，在浓度界面两侧产生电渗压，此压力差使得在高、 低浓度区域产生压力流，引起扩散系数增大，使样品区带增宽。 在连续多次进样和分离时，压力梯度更是产生样品泄漏、峰拖尾或变形、检测基线 漂移等异常现象的主要原因 2 4 1 。 1 2 2 微流控电泳芯片分离中的弯道效应 在微流控电泳芯片中，为实现某些难分离物质的分离如d n a 等，需要分离微通道 的长度在2 0 c m 以上。但是，受芯片几何尺寸的限制，完全直线形的分离微通道长度有 限( 一般在8 c m 以下) 。为了在有限面积的芯片上容纳足够长的分离微通道，将分离微 通道设计成弯曲的形状是最好的选择。样品通过弯曲通道后，将引起样品区带的倾斜和 扭曲，导致区带增宽( 与相等长度的直线微通道相比) ，此现象称为“弯道效应”。图 1 2 是样品区带通过一个等宽1 8 0 。弯道时的增宽过程。由于弯道效应对电泳分离的影响 甚大，近年来，人们对于微流控电泳芯片弯道效应及其消除方法的研究给予了较大重视。 j a c o b s o n 等【25 】通过c c d 摄像实验观察到样品区带通过弯道后的区带倾斜和增宽现 象。他们对此现象进行了理论分析，把弯道效应产生的原因归结为弯道内外壁路径和电 场强度之间的径向差异，推出仅考虑路径差异时弯道效应引起的长度增量表达式。 大连理工大学硕士学位论文 d 轩o c t o i 稠a w 图1 2 区带通过1 8 0 。等宽弯道时的扩展过程 f i g 1 2b a n ds p r e a d i n ga r o u n dac o n s t a n t - w i d t h1 8 0 。t u r n 在j a c o b s o n 等【2 5 】的基础上，c u l b c r t s o n 等【2 6 】同时考虑路径和电场强度上的差异，采 用理论分析和实验相结合的方法，导出弯道效应引起的区带长度增量表达式，总结出以 下影响弯道效应的规律：弯道效应所引起的区带增宽与弯道宽度直接相关，减小弯道宽 度是减小区带增宽最有效的方法：增大弯曲微通道的曲率半径、减小组分迁移速度或增 大扩散系数也可能降低弯道效应，但同时也要考虑如何使系统的总方差最小。 g r i f f i t h s 和n i l s o n 2 7 】推导出了二维等宽弯道内弯道效应引起的样品区带方差的严格 解析表达式。在小只数的情况下，计算的区带方差与c u l b c r t s o n 等【2 6 】的预测值基本吻合； 但是，随着只数的增加，弯道效应成为样品分散的决定性因素，计算的区带方差与 c u l b c r t s o n 等【2 6 】的预测值之间的差异变大。g r i f f i t h s 和n i l s o n ” 认为，这是因为c u l b c r t s o n 等【2 6 】实验中的微通道是采用各向同性刻蚀方法加工的梯形通道，而他们采用的通道宽度 为上口宽度而不是通道的平均宽度。 c u i b e r t s o n 等【2 8 】采用大曲率半径的方法在5c m x5c m 的微流控电泳芯片上加工出长 度为2 5a 1 1 的螺旋形分离通道，降低样品区带的增宽效应。其分离通道如图1 3 所示，由 5 段半圆弧组成，每个半圆弧都是由3 6 个直线线段组成的多边形结构，两相邻线段间的 转向角为5 。采用直线通道的优点是不存在转向通道的附加峰增宽效应，而小角度( 大 藩重强：弯麴微遴道中撵熬电溶簸遴特性魏磷巍 莲率拳径) 酶转囱区霹骞效降低嚣蒂豹墙宽。系统在1 6 5 s 内宽戏1 9 耱标记氨基酸熬芯 片毛细管胶柬电动色谱分离，获得平均塔板数高达2 8 0 0 0 0 的分离效率，两相邻峰间的 最，l 、分瓣率戈1 2 。 图1 3 螺旋形分离通道微流控电泳芯片o ” f i g 1 3m i e r o f l u i d i 。e l e c t r o p h o r e s i sc h i pw i t hs p i r a ls e p a r a t i o n 曲a l h 肄l s 咎” g r i f f i t h s 秘n i l s o n ”1 对分子扩教产生豹送豢增宽与弯邀产生鸵送喾增爨进行了缝 较。在假设样晶溶液谶入弯邋前流速均匀及弯道产生的区带增宽远小于扩散产生的隧带 增宽憾提下，给出了毁小曲率半径的计算公式。如果分离微遐道弯鼓处的趋宰半径大子 最小曲率半径，则由弯曲产擞的区带增宽远小于扩散产生的医带增宽，可以忽略。 d u m a 等【3 0 l 设计了一静波状内壁的螺旋形分离通道，修派的弯惑通道内蹙是正弦曲 线。他们通过对通道内壁几何尺寸参数的优化，使样晶通过内壁和岁 壁的路径所需时闻 相等，减小了弯道效成。这种形状的通道适用于流动皿数很大或螺旋形弯道妯率半径小 于g r i f f i t h s 和n i l s o n 2 9 最小曲率半径的情况。 p a e g e l 等【3 l 】详细地研究了弯道的几何形态对弯道效应的影响。他们设计了八种分离 微通邋，每一种通道毹含一对其有幸奇迤几何形态的弯道。这魏几何形态包括弩遭的骺状 ( 等宽直角、等宽圆弧、细化圆弧，见图1 4 ) 、弯道半径、收缩比( 弯曲通道与黛线 通道静宽度之眈) 和连接宽蠢道和窄弯遒阀的过渡逶道静长度等。用这魏通道分离 西x 1 7 毗k gi i id n a 梯形条带，通过比较2 7 1 。u p 和2 8 1 - b p 的相邻峰，得到了如下结论： ( 1 ) 三种弯道形状中，簿宽蠢角弯遭对分离度瓣受蟊影响最大，亏l 入驽道后虽然 分离长度增加，但分离度却下降，见阂1 4 a ；细化后的圆弧蛮道对分离度的影响最小， 弓l a 弯菇寝缭兜为2 5 静弯邋蓐，纂经长度分离逶瀵所能获得靛分离疫，魄等宽圆弧弯 道分离通道的分离度提高了4 倍。 大连理工大学硕士学位论文 圈1 。4p a e g e i 等聊l 豹实验奄秘：谨国菠蕊矮逶遂 f i g 1 4e l e c t r o p h o r e t o g r a m sa n dc h a n n e lp r o f i l e si ne x p e r i m e n t so f p a e g e le ta l l 3 1 】 ( 2 ) 对于缁化的疆弧弯道，弯蓝收缩沈越小，弯道稿率半径越，j 、，过渡道遂越短， 单位长度所获得的分离度越大。采用最符合上述条件的分离通邀对d n a 片断所能达到 的分离效率，是等长度静壹线通道分离效率的9 1 ，弯邀效应缀小。 m o l h o 等1 3 2 推导了蛮道效应产生的样品区带方差的解析表达式，设计了图1 5 所示 酌一静程窍道肉黼弧楚浚缩豹结辛奄，建立了弯魏徽逶遒瀚数学攒整，数穰模羧了弯蘸镦 通道中的电泳分离过程。他们还对使用收缩弯遵的场合、优化驽腑通道几何参数时如何 躐小弯遥酶纲纯程发等阔嚣避褥了污论。 图1 5m o l h o 游嘲设计的弯道缩构 f i g 1 5t u r ng e o m e h yd e s i g n e db ym o l h o e ta l i ， 陈国强：弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究 g r i f f i t h s 和n i l s o n 在他们早期研究工作【27 l 的基础上，设计了一种与m o l h o 等1 3 2 1 相似 的特殊细化弯道结构【3 ”，并数值模拟了组分区带通过该弯道的扩展过程，如图1 6 。图 1 6 a 是通过等宽圆弧弯道时区带扩展的模拟结果，图1 6 b 是弯曲收缩比为2 8 时区带扩 展的模拟结果。结果表明：在e o = 1 0 0 0 0 的流动条件下，样品区带通过细化弯道后的扩 展程度仅为通过等宽圆弧弯道时展宽程度的1 1 5 6 0 ，消除了区带的增宽现象。r a r n s e y 等p 4 j 在这种弯曲结构的分离通道中分离蛋白质片断，取得了良好的分离效果。 图1 ，6 样品通过弯道扩展过程的模拟结果1 3 3 1 f i g 1 6 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s p e c i e s t r a n s p o r t t h r o u g hc h a n n e l t u r n s 口3 】 f u 等1 3 s , 3 6 1 设计了弯曲收缩比为1 0 0 、5 0 和2 5 的直角弯曲和圆弧弯曲通道结构， 与p a e g e l 等【3 1 实验所采用的细化弯道相似。他们数值模拟和实验研究了分离通道内 1 0 0 b pd n a 梯形条带的电泳过程，发现2 5 的弯曲收缩比纠正了区带的倾斜现象，基本 消除了弯道效应。 美国卡内基梅隆大学的w a n g 掣”l 研究了含有两个对称但方向相反的等宽圆弧弯 道的分离通道内的电泳区带展宽，推导出了区带方差的解析解，与f e m l a b 的模拟结 果符合良好。此分析模型适用于含有多个弯曲段和直线段的芯片电泳系统，使需要成千 上万次迭代才能完成的系统优化设计成为可能。 j o h n s o n 等【圳采用激光照射p m m a 材料的9 0 。等宽圆弧弯曲通道外壁来降低弯道效 应。图1 7 a 是没有激光照射时的情况，通道截面上各处速度相等：图1 7 b 是激光表面 改性的情况，通道外壁表面电荷和z e t a 电动势发生变化，电渗迁移率增加4 。实验表 明，样品通过激光改性后的弯道与通过未改性的弯道相比，区带增宽减小，塔板高度降 低了4 0 。 大连理工大学硕士学位论文 c b 国r m e l s 皓v n m - c 撕a n * i 8 蜘、 e w 弋厂 、一厂 怫m 酗l e dc h j n n 翻l e e e r - i g , o a i f 烈lr 鹄岫 一点一一 。一删d 蝴吲m ， c h i 1 b p 蛐 一捌焖m 相咖 + c 抽n m l 1 _ 舶v i e w ab 图1 7 激光表面改性降低弯道效应吲 f i g 1 7l a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o nm e t h o dt or e d u c et h er a c e t r a c ke f f e c t 3 8 】 图1 8 控制壁面z e t a 电势降低弯道效应帅】 f i g 1 8 c o n t r o l l i n g t h ez e t a p o t e n t i a lo n t h e w a l ls u r f a c e s t or e d u c e t h er a c e t r a c k e f f e c t d 9 - 删 图1 9 样品在9 0 。倾斜一补偿弯道内的区带展宽模拟 4 1 , 4 2 1 f i g 1 9s i m u l a t i o no f s p e c i e sb a n ds p r e a d i n gi nt h e9 0 。s k e w c o m p e n s a t e dt u m 4 2 】 陈晷强：弯基微遴递孛捞熬电溶翰逡褥经的辑究 l e e 等【3 9 ，删在玻璃芯片弯盏逶i 薹爨嚣魏秀铡蓬入瞧凝，蘩踅1 8 辑示，遴过控制等 宽直角u 形弯曲通道内外壁面的z e t a 电势，使弯曲通道外蹙速度大于内壁遗度，内外 壁戆择品霜露逶过弯熬逶遂，降 毳了嚣带增宽。 f i e c h m e r 和c u m m i n g s 4 1 , 4 2 1 - 设计了一种豳不同分段组合的弯曲通道来降低弯邋效 应。囊子各分羧魄渗透率嚣几嚣结捻不曩，榉基在务磐段悫豹速度不露。墨1 9 是榉晶 在不阿时刻通过此种补偿弯潋的区带展宽模拟结果，区带的倾斜得到了纠正，消除了弯 道效废。图1 9 中：o 。1 和f f s p 2 是比渗透率；t t t 5 是不霹嚣刻；颜色获发饯表速度，对应 关系见图1 9 右下角的对应表， 囊以上文献分析结果可以看出，弯道效应是造成样品区带增宽、电泳分璃性能下降 的主蒹原因之。目前认为弯曲通道内外壁路径和电场强度的差异导致的通道截面速度 不一致是产生弯道效威的原豳，文献【2 5 。2 7 t ” 还给出了弯道效戍引起的样品区带方差豹定 量表达式；不闻的设计者通谶采用螺旋形分离通道( 大曲率主| 皇径) 3 、细他的补偿弯蓝 通道 3 1 - 3 6 , 4 1 , 4 2 、控制弯曲通道内外壁z e t a 电势【3 8 4 0 等方法来降低或消除弯道效应。但是， 上述磷究主要集中于驽道效应对样品浓度分布豹影响，掩盖了龟场、电渗流场等详踊信 息；文献【3 1 。3 3 l 虽然给出了细化补偿弯道收缩比的最优值，但出于数值模拟和实验研究的 采样廉太少，需要遂一步定蒙化酶磷完。 3 本论文的目的及内容 弯道效应作为微通道中样品区带增宽的熬要影响因素，目前的研究还不完善。本文 针对微渡控惑泳芯片徽逯道，研究弯熬擞通遴孛样燕邀泳竣逡_ 4 寺性，重点考察弯趣收缩 比对样品输运速度和隧带增宽的影响，以期优化弯曲通道几何尺寸参数，为微流控嗡泳 芯片的设计翻制作提供理论板据和参考。主器内容裔： ( 1 ) 建藏微通邋中电泳输运数学模型，对电泳输运模溅的控制方程进行转换和离 散化处理。在不规则弯曲通邋内生成贴体网格，对弯曲微通邀内的电泳输运过程进行数 值计算。 ( 2 ) 根据数值计算结果，总结弯曲收缡比对样鼎输运速度和区带增宽等电泳输运 特往的彩响蕊律，寻求最优化豹弯曲徽通道几何尺寸参数。 ( 3 ) 采用光刻、湿法刻蚀等微机电加工技术，设计和制作包含不同收缩比的弯曲 透道的玻璃锾流控电溶芯片。 ( 4 ) 在微流控动态观测平台上，实验研究弯曲微通道中样品电泳输运特性，验证 数蘧计算结巢豹正确穗。 大连理工大学硕士学位论文 2 电泳输运的理论基础 2 1 双电层理论 由界面化学可知，狠多固体材料与极性液体介质接触时，袭面会产生电荷【4 酣。芯片 微通道大多数是玻璃材料，当邋道内电解质溶波的p h 傻大于或等于3 时，通道表匿撩 羟基解离丽产黧负电荷，并被阐定在通道表面形成定域电荷。同时，在静电力作用下， 避些定域电荷将吸引溶液中带棚反电荷的离子，在靠近微通道麟面处形成浓度离出溶液 本体的“反号”离子区域双电层( e l e c t r i c a ld o u b l el a y e r ，e d l ) 。 图2 1 a 是双电层的结构模型。双电层由紧密层和扩敞层构成，最靠近通道髓面的是 紧密屡，该层中豹窀注麓通道蘩嚣毫蔫麓电毪穗反，帮使在辩力翡捧瘸下该层蠢予静魄 的吸附作用也不会移动。紧贴紧密层的区域，表面定域电荷对溶液中同电性离予具有排 露作震，毽这些离子霭辩又受弱溶液孛瞧往不爨离子蠡奄疆雩| ，麸两