（机械制造及其自动化专业论文）旋转驱动式磁珠液体输送与混合相关问题研究.pdf

摘要 摘要 微流体芯片系统具有试剂消耗量少，反应时间短，高通量并行大规模反应， 在线检测，成本低，检测结果更加可靠和自动化程度更高等特点，目前有着广 泛的生物学应用。在微纳尺度下，微流体驱动是微流体芯片系统的基础。传统 微流体芯片系统使用微泵和微阀来实现微流体驱动，系统难于集成、体积较大、 驱动效率不是很高。而基于成熟的微型免疫磁珠技术和电磁m e m s 加工技术， 采用离散液滴驱动的微流体芯片系统能够实现更精确的微流体控制和反应试样 容量控制，这种微流体芯片系统也是目前国内外的研究热点。 本文首先阐述了磁珠技术原理和应用，归纳总结了国内外微流体驱动方式 的研究现状，确定了一种旋转驱动式微流体芯片作为研究对象；然后介绍了该 芯片的结构和磁珠液滴操控的基本原理，并分析了芯片内部磁珠液滴分离、融 合、收集、输送和混合的过程，重点对该芯片电磁驱动部件的相关问题进行了 研究。 该芯片系统是由多层平面线圈和永磁铁产生的耦合磁场实现对磁珠液滴的 操控，耦合磁场分布是磁珠操控的关键。耦合磁场分析方法是优化芯片参数的 基础。本研究首先利用毕奥萨法尔定律和积分方程法得到单层平面微线圈三维 磁场数值计算方法，并采用数值计算工具m a t l a b 分析得出微线圈磁场分布及其 特性；其次利用有限元工具a n s y s 建立开域磁场分布的单层平面微线圈模型， 并施加磁场线平行的边界条件和数值计算时相同的电流载荷，计算得出与数值 计算方法相一致的结果，证明了此有限元分析方法的可行性；然后，基于单层 平面微线圈有限元分析方法，建立多层平面微线圈和永磁体模型，得出耦合磁 场有限元分析方法；最后利用m a t l a b 和a n s y s 工具提出一种磁珠操控可行性计 算方法。该方法是由a n s y s 强大的后处理功能得出耦合磁场中磁场强度和梯度 值，再给出磁珠载体的响应参数，由m a t l a b 可以计算得出所受磁场力和粘滞阻 力，从而判断磁珠操控的可行性。在基于电磁m e m s 技术的芯片设计中，可 用此方法指导设计平面微线圈相关参数。 针对微线圈是复杂的不规则几何体，在进行网格划分时会出现网格退化和 不规则网格等问题，在综合考虑传导、对流等传热影响因素的基础上，提出一 种平面微线圈的有限元模型简化方法，将平面微线圈等效为一规则六面体。并 摘要 基于简化模型建立了磁珠搅拌装置的有限元模型，对不同电流载荷磁珠液滴的 温度场进行了仿真与计算，得n t 与已有文献的实验相一致的结果，验证了本 文分析方法的正确性。并采用该方法分析了芯片厚度、玻璃基底厚度、驱动载 流大小等对芯片温度场的影响。 关键词：旋转驱动式微流体芯片三维磁场耦合分析温度场分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i c r of l u i d i c c h i ps y s t e m h a st h ec h a r a c t e r i s t i e so fl e s s r e a g e n t c o n s u m p t i o n ，s h o r t r e a c t i o nt i m e ，h i g h t h r o u g h p u tp a r a l l e ll a r g e s c a l er e s p o n s e ， o n l i n et e s t i n g ，l o wc o s t ，m o r er e l i a b l et e s tr e s u l t sa n dh i g h e rd e g r e eo fa u t o m a t i o n ， w h i c hh a saw i d er a n g eo fb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n u n d e rt h es i t u a t i o no fm i c r o c a l e a n dn a n o s c a l e ，m i c r o f l u i d i cc h i pd r i v es y s t e mi so nt h eb a s i so fm i c r o f l u i d i cd r i v e t h et r a d i t i o n a lm i e r o f l u i d i cc h i ps y s t e mi sd r i v e db ym i c r o p u m p sa n dm i c r o v a l v e s ， w h i c hi sd i f f i c u l tt ob ei n t e g r a t e d i th a sal a r g e rs i z ea n dt h ed r i v ee f f i c i e n c yi sn o t v e r yh i 曲b a s e d o nm a t u r em i c r oi m m u n o m a g n e t i cb e a dt e c h n i q u e a n d e l e c t r o m a g n e t i c m e m sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h ed i s c r e t e - d r o p l e t - d r i v e m i c r o f l u i d i cs y s t e mc o u l db em o r ep r e c i s et oc o n t r o lm i c r o f l u i d i ca n dc o n t r o l r e a c t i o ns a m p l ev o l u m e ，s u c ham i c r o f l u i d i cc h i ps y s t e mi sar e s e a r c hf o c u sa th o m e a n da b r o a d t h ep r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n so fm a g n e t i cb e a dt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ， a n dar e s e a r c hs t a t u so fm i c r o f l u i d i cd r i v ea p p r o a c hi ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r a n dt h e n ，ar o t a r y - d r i v e t y p em i c r o f l u i d i cc h i pi si d e n t i f i e da sa no b j e c to fs t u d y t h e n ，t h es t r u c t u r eo ft h er o t a r y d r i v e t y p em i c r of l u i d i cc h i pa n dt h ep r i n c i p l e so f m a g n e t i cd r o p l e tm a n i p u l a t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e so f t h e s e p a r a t i o n , i n t e g r a t i o n , c o l l e c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n , a n dm i x i n go fm a g n e t i cb e a d d r o p l e to ft h ec h i p a r er e s e a r c h e d t h er e l a t e di s s u e so fe l e c t r o m a g n e t i cd r i v e c o m p o n e n t so f t h ec h i pa r er e s e a r c h e da sa ne m p h a s i s t h em a g n e t i cb e a dd r o p l e to ft h i sc h i ps y s t e mi sm a n i p u l a t e db yt h ec o u p l i n g m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db yt h em u l t i - l a y e rf l a t c o i la n dp e r m a n e n tm a g n e t t h e c o u p l i n gm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o ni sc r i t i c a l t om a n i p u l a t em a g n e t i cb e a da n d o p t i m i z ec h i pp a r a m e t e r si sb a s e do nt h ec o u p l e dm a g n e t i cf i e l da n a l y s i s f i r s t l y ， b a s e do nt h el a wo fb i o t s a f a ra n di n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ，t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o no ft h r e ed i m e n s i o nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fs i n g l e l a y e rp l a n a r m i c r o c o i li sp r o p o s e d ，a n dt h em a g n e t i cf i e l do ft h ep l a n a rm i c r oc o i ld i s t r i b u t i o n i i i a b s t r a c t a n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e dw i t hn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a lt o o lm a t l a b ； s e c o n d l y ，o p e n d o m a i nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fs i n g l el a y e rp l a n a rm i c r oc o i l m o d e li se s t a b l i s h e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tt o o la n s y s ，a n dt h e ni m p o s i t i o nt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h ep a r a l l e lm a g n e t i cf i e l dl i n e sa n dt h es a m ec u r r e n tl o a d w i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e db yt h ea n s y sa r e c o n s i s t e n tw i t hn u m e r i c a lm e t h o d s ，w h i c hp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；t h e n ，b a s e do n s i n g l e l a y e rp l a n a rm i c r o c o i l f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm u l t i 1 a y e rp l a n a rm i c r o c o i la n d p e r m a n e n tm a g n e ta r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hd e r i v e da n a l y s i sm e t h o do ft h ec o u p l e d m a g n e t i cf i e l d ；f i n a l l y , ac a l c u l a t i o nm e t h o do ft h em a g n e t i cb e a dm a n i p u l a t i o n f e a s i b i l i t yi sp r o p o s e du s i n gm a t l a ba n da n s y s n l em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n d g r a d i e n tv a l u e so ft h ec o u p l i n gm a g n e t i cf i e l da r ed e r i v e db ya n s y sp o w e r f u l p o s t 。p r o c e s s i n gf u n c t i o n s ，a n dt h e nm a g n e t i cb e a dc a r r i e rr e s p o n s ep a r a m e t e r sa r e t h o u g h ta b o u t ，f i n a l l y , t h em a g n e t i cf o r c ea n dv i s c o u sr e s i s t a n c ec a l lb ec a l c u l a t e db y m a t l a bi no r d e rt od e t e r m i n et h em a g n e t i cb e a dm a n i p u l a t i o n f e a s i b i l i t y 1 1 1 i s m e t h o dc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g no f p l a n a rm i c r o - c o i lp a r a m e t e r s a st h ep l a n a rm i c r oc o i li sac o m p l e xi r r e g u l a rg e o m e t r y , t h e r ew i l lb es o m e p r o b l e m sd u r i n gm e s hg r i d ，s u c ha st h ed e g r a d a t i o na n di r r e g u l a rg r i d 0 nm eb a s i s o fc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r i n gt h eh e a tt r a n s f e ra f f e c t f a c t o r s ，s u c ha st h eh e a t c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n ，t h es i m p l i f i e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fap l a n a rm i c r oe o i li s p r o p o s e d ，w h i c hi se q u i v a l e n tt oar e g u l a rh e x a h e d r o n b a s e do ni t ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h em i x i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d a n dt h e n , t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cb e a dd r o p l e t sa r es i m u l a t e da n dc a l c u l a t e du n d e r d i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n sa n dt h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e ，w h i c hv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ea n a l y s i sm e t h o d i n t h i sa r t i c l e t h ec h i pt h i c k n e s s ，t h et h i c k n e s so ft h eg l a s ss u b s t r a t ea n dt h ed r i v e c u r r e n tc a r r y i n gs i z eh a v ei m p a c to nt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c e c a l lb ea n a l y z e db a s e do nt h i sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：t h er o t a r yd r i v e ，m i c r of l u i dc h i p ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf i e l d c o u p l i n ga n a l y s i s ，1 1 1 et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s i v 1 绪论 1绪论 1 1课题研究的目的及意义 瑞士的m a n z 与w i d m e r 在2 0 世纪9 0 年代初，提出了基于微电子机械系 统技术( 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 ，m e m s ) 和生物化学分析检测技术，以 生物化化学分析仪器及设备的集成与微型化为目的的微全分析系统( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，t a s ) 概念n 1 。其实质就是通过微细加工的方法，实现 在微小( 几平方厘米至十几平方厘米) 的生物芯片上构建生物化学分析单元和 系统，最大程度的微型化和集成化分析实验室，部分或全部转移分析实验室功 能到便携式的分析设备中，最终把分析实验从实验室解放出来，实现分析实验 的普及化。因此，微全分析系统也称为芯片实验室( l a b o n a - c h i p ) 乜1 ，被认为是 2 1 世纪最为重要的生化分析前沿技术之一。 随着微电子机械和微系统加工技术的发展，目前已成功攻克微芯片多数加 工技术难题，为满足生物医学工程领域不同应用要求，以实现不同功能的微全 分析系统被提出。而继微阵列生物芯片( m i c r o a r r a yc h i p s ) 之后，微流控芯片 ( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) 是以生物化学、分析化学及生物技术为基础，以微电子机械 系统( m e m s ) 技术为依托，以微管道网络为结构特征，在微芯片上以实现样 品预处理、液体间混合、在线监测、样品分离等生物化学实验的一系列过程和 检测1 。它是i a t a s 中目前重要的组成部分，是目前最活跃的研究领域，也是微 全分析系统的发展前沿h 1 ，最能体现芯片实验室的思想实现生物化学分析 实验室集成化和微型化及转移实验室功能到芯片上。微流控芯片系统具有大大 减少试剂消耗量，大大缩短反应时间，高通量并行大规模反应，在线的检测， 降低成本，检测结果更加可靠和自动化程度更高等特点，有广泛的生物学应用， 如：高通量药物筛选，单细胞或分子的分析和操控，药物传输和先进的疗法， 生物传感器，在线诊断等，为未来的微全分析系统功能目标的实现奠定了非常 重要的基础。 免疫磁珠( i m m u n om a g n e t i cb e a d s ，i m b ) 技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展 起来的一种新型免疫学技术佑1 。磁珠( m a g n e t i cb e a d s ，m b ) 具有比表面积大， 易于操控，高选择性等优点。免疫磁珠技术以兼具有高分子材料和磁性材料特 】 1 绪论 性的微球作为生物反应的载体，基于磁珠的固相化试剂特点及生物免疫反应的 特异性，当施加适当的操控磁场时，可以快速、高选择性的实现与磁珠特异性 结合的靶物质1 的分离与收集。迄今已经在环境检测、生物分离、食品卫生检 测、医学等诸多领域展现了广阔的研究与应用前景。 近年来，基于成熟的免疫磁珠技术和电磁m e m s 加工技术，以实现磁珠的 收集、输送、混合、分离等的多种磁珠操控方法和微流体操控理论被提出。这 类微流控芯片系统是一种更加经济、快速、集成化的芯片，正在成为研究热点， 具有广泛的发展前景h 1 。我们也应该看到：一个新学科的发展既需要强大先进 的技术支撑，更需要先进的理论指导，t a s 在发展中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。 因此，针对基于磁珠技术的微流体输送与混合方法的研究是非常有意义的。 目前，国内外对基于磁珠技术和电磁m e m s 的微流体芯片的磁珠操控方法、微 流体芯片的散热方案、电磁场的模拟分析、微型电磁器件加工制作等方面都开 展了一些研究工作。本章将从磁珠技术原理及应用、微流体驱动方式两个方面 的来论述国内外研究进展，并提出本工作的研究思路和内容。 1 2 磁珠技术原理及应用 1 2 1 磁珠技术原理 磁珠具有一定磁性和特有的表面结构，是由磁性材料和各种含活性功能基 团复合制备而成的一种粒子。根据活性功能基团的材料与磁性纳米粒子结合的 不同方式，可分将磁珠分为四种不同的结构类型，如图1 1 所示睛1 ，磁性核或磁 性壳型( 图1a ，b ) ，混合型( 图1c ) ，和多层型( 图1d ) 。 o 图1 1 磁珠分类 1 绪论 磁珠技术是利用经过处理的磁珠，将特定抗体耦合到磁珠上，磁珠在样品 中与特定抗原结合，形成“抗原一微球”或“抗体一抗原一抗体”的复合物，基于 磁珠的顺磁性特征，在外界磁场的作用下，该磁珠复合物在磁力作用下，可以 快速的实现分离抗原的目的西1 根据不同的磁珠表面活性功能团，可以耦合抗 体、酶、细胞等物质。磁珠技术原理图如图1 2 所示n 们。 o 1 目标单元 磁性微球一c k 一目标单元和磁性微球混合物 图1 2 磁珠技术原理示意图 由于磁珠比表面积大、生物相容性好、具有高选择性等特点，在磁场的作 用下可以快速的导向和分离，因此，磁珠技术在生物、药物运输、细胞分离、 环境工程、生物大分子分离等领域有广泛的应用前景。 1 2 2 磁珠技术应用 在致力于磁珠技术研究的众多研究者和公司的不懈努力下，磁珠技术走向 成熟，广泛应用于身份鉴定、合成生物学、癌症研究、干细胞研究、表观遗传 学研究、诊断与临床研究、药物研发、食品安全与动物健康、生物生产等。根 据应用方向的不同，出现了用于细胞分离、细胞扩增、m r n a 分离试剂、d n a 提取、蛋白质样品分离、链酶耦合、标记蛋白质、免疫蛋白质和多肽分离、o e m 和i v d 等的种类丰富的磁珠种类1 。 1 3 微流体驱动方式 微流体驱动方式分为两种，在微流体芯片系统研究前期的连续微流体操控 和现阶段对离散微液滴的操控两种方式。 1 3 1 连续微流体操控 连续微流体操控的微流体芯片系统，其主要的形态特征是各种微阀和微管 道的整合。其目的是控制微管道内微流体，以实现芯片上生物化学分析试样的 3u 1 绪论 分离与分析。而此类微流体芯片系统是通过各种不同驱动原理的微泵来实现微 流体驱动。 目前，微泵的种类很多，根据有无活动部件可以大致分为两类。一类是将 机械能直接传递给微流体的机械式微泵，另一类是将非机械能传递给微流体的 非机械式微泵。 ( 1 ) 机械式微泵 机械式微泵主要研究振动膜式微泵，这类微泵通过驱动振动膜，使泵腔体 积变化，促使腔内压力变化来实现微流体的定向驱动。根据不同的驱动原理和方 法，大致有压电驱动、静电致动驱动、电磁致动驱动、形状记忆合金( s h a p e m e m o r ya l l a y , s m a ) 致动驱动、热气动力致动驱动等方法，也相应有不同的微泵 种类。不同的微泵其致动机理不同，他们的性能也有很大的差别。 压电微泵：根据压电效应原理，致动器的活动部件是由压电晶体制作而成， 当对不同的压电晶体施加不同电压时，致使不同的晶体层有不同的反应，有的 压电晶体层收缩而有的压电晶体层膨胀，使微泵腔体积变化，有效驱动微流体。 振动膜式压电微泵是由v a nl i n t e l 等人首先提出n 引，是迄今为止应用最为 广泛的微泵结构，其结构原理模型如图1 3 所示。微泵由入口、出口、泵腔、 两个被动阀和一个压电晶体薄膜致动器组成。微泵输出的最大压力取决于压电 晶体产生的致动力大小。 阀1阀2玻璃 璃 图1 3 振动膜式压电泵原理图 第一台压电微泵是由s t a n d f o r d 大学的s m i t s 和w a l l m a r k 在1 9 8 0 年研制出 4 1 绪论 来，如图1 4 所利1 3 1 。该微泵有三个主动式阀腔，每个阀腔都有入口、出口、和 压电晶体振动膜组成。由此特点，该微泵被称为三阀压电式蠕动微泵。该微泵 在零背压的情况下，最大高度可达6 0 c m 水柱，最大流量可达1 0 0 , u1 m i n 。 图1 4 研制出的第一台微泵模型 硅 因为压电式微型泵，结构简单，易于实现，但制作工艺不利于微流体芯片 批量化生产。虽然k o c h 提出基于网板印刷技术n 4 1 的厚膜微泵和o l s s o n 等人n 钉 提出基于热塑复制法制作的无阀微泵，降低了微泵的制作成本，有利于微泵的 批量生产，但是压电晶体的驱动电压高，微泵体积较大，不利于微流体芯片的 微型化，最终限制了该类微泵的应用范围。 静电致动微泵：由两片单晶体硅片构成微泵的腔，当施加一定大小的电压 时，两层单晶体硅片相互吸引，致使泵腔体积变化，从而实现微流体的定向流 动。根据不同的致动频率可以实现微流体由入口流向出口的正向流动和由出口 流向入口的负向流动。如图1 5 所示，是由z e n g e r l e 等人n 印研制成功的第一台 的静电微泵的结构图。静电微泵虽然可以有效的驱动微流体，但是单晶体薄膜 位移量过大时会微泵性能不稳定，而且微泵致动电压较高，不利于广泛应用。 5 1 绪论 i 驱动单元 i l 阀单元 1 ， 图1 5 静电微泵结构示意图 热气动微泵：是由充满气体或液体的腔体、微加热器和薄膜构成，利用物 体热胀冷缩的原理，使密封腔体体积变化，致使薄膜变形以使微流体流动。热 气动微泵最先由v a nd ep o l 等人n 力研制成功，其典型的结构示意图如图1 6 所 示。 电阻加热器气室 图1 6 热气动微泵结构示意图 热气动微泵在较小的驱动电压下可以产生较大的薄膜变形，通过印刷电路 板技术制作加热微线圈的工艺与微流体芯片i c 工艺具有更好的兼容性。由于液 体和气体的热延迟性，导致致动频率过小，微泵的输送最大流量和背压同比其 他驱动方式要小许多。 6 1 绪论 电磁致动微泵：由微泵腔体、振动薄膜、用于产生交变磁场的平面微线圈 和铁镍合金基体组成。当对微线圈施加电流时，平面微线圈产生的交变磁场与 永磁体相互作用，驱动泵膜振动，致使泵腔体积变化，有效驱动微流体。q i u l i a n g o n g 等人n 町提出一种基于平面微线圈的电磁致动微泵，其结构如图1 7 所示。 图1 7 电磁致动微泵结构示意图 ms h e n ，cy a m a h a t a 等人n 钔利用有限元方法，优化设计电磁微泵，结合微 加工工艺，在2 0 0 8 年提出一种高性能电磁致动微泵，最佳驱动频率为2 0 h z ， 最大背压高达3 7 k p a ，2 w 的驱动能量可以产生6 8 m l m i n 的最大流量。与静电微 泵相比，所需驱动电压低，产生驱动力大，但是由于其原理限制，大的驱动力 正比于平面微线圈的圈数和面积，电磁致动微泵的体积也就较大，限制了电磁 致动微泵微型化的进程。 记忆合金致动微泵：由w l b e n a r d 等人3 用t i n i 合金制作的记忆合金 ( s h a p e m e m o r ya l l o y ，s m a ) 致动微泵结构原理示意图如图1 8 所示。该s m a 微泵是由微腔、两个互补的t i n i 合金薄膜构成的微致动器、微阀组成。根据记 忆金属加热回复原形的特性，当施加偏执变形后，加热或冷却记忆金属，以实 现微致动器的周期运动。 s m a 致动微泵能够提供很大变形，可以实现较大的致动力，致动力可以高 7 l 绪论 达几百k p a ，也可提高最大微流体流量。但是，利用加热和冷却来驱动致动器， 基于卡诺循环原理，热反应有较大的延迟，致使驱动频率较低，限制了s m a 致动微泵的应用。 阀 历励该 笏赢秀 图1 8s m a 致动微泵结构原理示慈图 综上所述，机械式微泵驱动原理简单，结构容易实现，加工工艺较为成熟。 虽然经过研究者对微泵性能、加工工艺等进一步研究，优化了微泵性能，可以 实现微泵的批量化生产，但是，此类微泵需要体积较大的致动器部件，不容易 实现微流体芯片系统的微型化。 ( 2 ) 非机械式微泵 相比机械式微泵，非机械式微泵结构更为简单，加工更容易实现。利用磁 场和电场驱动微流体的微泵被提出。此类微泵以电渗驱动的电渗泵，电流体驱 动的电流体泵和磁流体驱动的磁流体泵为主。 电渗泵：以玻璃为基质的电渗泵( e l e c t r o o s m o s i sp u m p s e o p s ) ，芯片微通 道带负电荷，与微通道相接触的微流体带正电荷，形成双电层。当在通道两端 施加一定的电压时，带正电的微流体边界会带着被包裹的液体运动，从而实现 微流体运动。对于传统电渗泵需要较大的直流驱动电压。经过研究者不懈的努 力，q i u q u a ng u o 等人口设计出利用电极阵列，驱动电压只需要2 v 的电渗泵。 其结构原理示意图如图1 9 所示。 电渗泵结构简单，液体驱动没有脉动，操作简便易行，但是所需驱动电压 8 1 绪论 高，虽然q i u q u a ng u o 等人提出了基于电极阵列的电渗泵有效降低驱动电压， 但是，对驱动微流体有较为严格的要求，例如：微流体中出现的气泡可能使流 动停止，流体中的电荷离子可能改变微流体组成成分，流体电渗性质易受p h 值、微流道壁性质、外加电场强度等因素的影响，限制了电渗泵的应用。 入 口 嚆怒藏j 烈一如一 纛j i 。鬻燃。j _ + 1 v 图1 9 低压电渗泵原理结构二维示意图 电流体动力微泵：离子动力泵是电流体动力泵( e l c c t r o h y d r o d y n a m i c ，e h d ) 的一种，是通过电场与离子的相互作用，离子跟随电场运动，运动的离子拖带液 体运动。其基本原理结构示意图如图1 1 0 所示。 图1 1 0e r d 结构原理图2 2 1 电荷由发射极输出，在电场的作用下，另一电极收集发出的电荷。在电荷 运动的过程中，附带流体运动。此类微泵结构简单，不需要微泵和微阀结构， 加工工艺也较为简单，但是对于水这样的中性离子少的溶液不易实现流体驱动， 对被驱动液体的介电性质和粘稠度有较高要求。 9 1 绪论 磁流体动力微泵：经过表面处理的强磁性颗粒加入基载液形成的磁流液体， 在外界施加磁场后，磁流体中磁性颗粒就表现出强磁性，磁性颗粒带动微流体 运动。g c n a n c y 等人乜3 1 设计的电磁式磁流体微泵如图1 1 1 所示。电磁线圈交 替产生电磁场，驱动微流体向前蠕动。当施加电流的频率为9 h z 时，内径为 3 5 m m 的输出管产生的最大输出压力可达7 7 0 p a 。 电磁线圈 微 图1 1 l电磁式磁流体微泵 其他类的非机械式微泵如：电润湿式、曲面波式、电化学式及蒸发式等应 用也很多。 1 3 2 离散微流体操控 用连续流体作为反应载体的微流体芯片系统，大部分需要使用复杂的微流 体驱动部件：如微泵和微阀等。即使利用m e m s 加工工艺将微流道和反应器整 合到一个芯片上，整个微流体芯片系统体积也较大。另外，随着微流体芯片系 统的发展，化学分析、生物医学等领域对微流体芯片系统提出了更高要求，如： 精确的反应试样容量控制、更精确的液滴控制等。在这种要求下，基于离散液 滴操控的微流体芯片系统被提出，旨在更好的满足微流体芯片系统微型化、自 动化、集成化的要求。目前，离散化液滴操控正成为国内外的研究热点。 由于微尺度下的尺度效应：表面积与体积比的增大和表面力效应幢钔，微流 体的表面张力、液滴与芯片界面间的亲水性、疏水性和浸润性等作用大于体积 1 0 1 绪论 力等其他力的作用，因此，利用表面张力驱动液滴的方法成为研究热点之一。 目前，利用表面张力操控液滴的方法主要是介质上电润湿驱动 ( e l e c t r o w e t t i n g - o n d i e l e c t r i c ，e w o d ) 。一种利用e w o d 驱动液滴的原理示意 图如图1 1 2 所示心副。碳氟聚合物薄膜为疏水层，高击穿场强绝缘层薄膜的二 氧化硅为介质层，避免液滴与电极直接接触，悬挂线为液滴的零参考电极。 e w o d 是通过在微电极阵列上施加电压，改变液滴表面和介质膜层的润湿特性， 从而改变局部液滴与疏水层形成的三项接触角，致使液滴两端不对称，由液滴 不对称性使液滴内部压强不均衡，来操控液滴。 畿魏 糕纯 图1 1 2 一种e w o d 驱动液滴原理示意图 舢t t it o r k k e l i 等人啪1 提出超疏水表面下液滴的静电输送，其基本构造图如 图1 1 3 所示，这是一种可在露天条件下进行液滴静电操控的方法。液滴驱动力 是由基底内镶嵌的金属电极产生，当给微整列电极交替施加电压时，液滴就可 以沿着电极路径移动。此静电液滴芯片最小的驱动电压为1 2 4 v a c ( r m s ) ，可 达到的最大移动速度为l c m s 。 1 绪论 疏水面 绝缘层 二氧化硅 硅基底 图1 1 3 超疏水静电液滴输送结构原理图 s u n gk w o nc h o 等人盥刀提出一种基于液滴的电润湿驱动，能实现流体液滴 的形成、输送、分割和融合四个基本微流体操控的微流体芯片系统。其结构原 理示意图如图1 1 4 所示。 i ：输送- f 板 图1 1 4 结构原理示意图 这是一个典型的e w o d 液滴驱动芯片。通过对底层电极施加一定大小的电 势，改变液滴与接触面间的润湿性，使液滴两端不对程，从而使液滴内部压强 不均衡，驱动液滴运动。液滴在两平行平板间运动，而不是在微流道或其他表 1 2 l 绪论 面运动。这种e w o d 微芯片系统，更能满足微流体芯片系统自动化的要求，只 要设计好底部的驱动微电路，就能实现液滴的自动化控制。另外，这种e w o d 芯片能还具有能耗低，响应快等特点。 s u n gk w o nc h o 等人汹1 基于e w o d 原理，提出一种粒子分离、收集和驱动 的e w o d 芯片系统。s h i h k a n gf a n 等人啪1 基于e w o d 原理，提出一种多液滴 并行操控的微流体芯片，提高生物、化学分析流量。 虽然，e w o d 液滴操控方法，操控简单，能实现液滴的分割与融合，但是 这种操控方法很难从液滴中提取出目标样本。结合磁珠技术，基于磁性颗粒操 控的微流体芯片系统被提出。生物医学应用和化学分析中对微米或纳米级生物 对象和化学分析反应物的操控是最为关键必不可少的操作步骤。由于磁场控制 方便，调整容易，产生方法灵活，通过芯片外加磁场和芯片自身耦合磁场器件 操控磁性生物对象和化学分析反应物的方法是目前的研究热点。它们可以实现 对包含生物对象的液滴输送、捕捉、混合和分离等操作。 t a od e n g 等人啪1 提出一种用通电微电路控制磁性微粒的微流体芯片系统。 其结构原理示意图如图1 1 5 所示。通电微电路可以产生足够大的磁场梯度，能 够有效的操控液体中的磁性悬浮颗粒。改变控制微电路通电方向和通电频率可 以实现磁性颗粒的捕捉和定向移动。 线圈 乜流流出 包流流入 图1 1 5 基于微电路磁性颗粒操控原理示意图 h i r o a k is u z u k i 等人提出一种利用微导体产生交替变化的磁场来驱动反 应颗粒混合的微流体芯片，其结构示意图如图1 1 6 所示。硅基底上镶嵌的微导 1 3 1 绪论 体用于生成驱动磁性颗粒的梯度磁场， 对微导体施加一定时序的驱动电流时， 混合效率。 微流道是磁性颗粒流体的流动轨道。当 可以有效驱动磁性颗粒，提高微流体的 c o n d u c t o r s 图1 1 6 微混合器结构原理示意图 k r i s t i a ns m i s t r u p 等人1 提出微流道中磁性颗粒的磁性分离微流体芯片。其 芯片结构如图1 1 7 所示。通过基底底部的微电磁体阵列产生的交替变化的梯度 磁场，有效分离微流体中的磁性颗粒。 f l t i 谴m i c t o f l u i d i c c h i pb o 蝴幽f y 图1 1 7 磁性颗粒分离微流体芯片结构原理示意图 以上这些种类的微流体芯片能够实现包含生物对象液滴的输送、捕捉、混 合和分离等操作，都是由电磁m e m s 技术制作的平面微线圈或微导体来产生足 够的磁场强度和梯度驱动磁性颗粒。虽然基于磁珠液滴的微流控芯片能够有效 的提取目标样本，易于实现系统的微型化与自动化控制，但是磁场由电磁m e m s 工艺制作的平面微线圈产生也有诸多缺点。 1 4 1 绪论 ( 1 ) 磁场强度和梯度与线圈尺寸成正比。 平面微线圈或微导体产生的磁场梯度和强度不是很大，对磁性颗粒的捕获 操控效率低，想要增大磁场强度和梯度只能增加微线圈圈数或增加铁磁性导体， 这样无形中增加芯片体积。 ( 2 ) 微小尺度下平面微线圈和微导体产热大，散热难。 在微小尺度下，即使很小的电流也能产生很大的电流密度。微线圈和微导 体产热较大，而在微环境下，气体传质、散热与宏观相比成等量级的降低，微 流体芯片的温升较大。对于生物分析中，一些对温度敏感的蛋白质、核苷酸、 细胞、d n a 等生物活体，存活温度一般不超过3 7 摄氏度，需要进行严格的温 度场控制。 1 4 本论文的研究思路和内容 以上对各类微流体芯片的研究表明，基于磁珠技术和电磁m e m s 技术的微 流体芯片系统能够有效的提取目标样本，实现系统的微型化与自动化控制，但 是它们也存平面微线圈产热大，其尺寸与磁场强度和梯度与成正比等诸多缺点。 因此，如何既能产生较大磁场强度和梯度，又能有效的减少微小尺度下电磁单 元发热现象成为此类微流体芯片的研究重点。本文以构建新型高效的微流体芯 片系统为出发点，对一种旋转驱动式磁珠液滴微流体芯片进行研究，主要包括 以下几方面的研究内容。 ( 1 ) 微流体芯片作为2 l 世纪最重要的生物化学分析科技前沿之一，以微流体 驱动方式为切入点，仔细研究国内外各种不同应用的微流体芯片系统，研究微 流体驱动原理并找出各种微流体芯片驱动方式的优缺点。确定一种旋转驱动式 微流体芯片系统作为本论文研究对象。 ( 2 ) 研究分析磁珠液滴微流体芯片磁珠操控的基本原理，旋转驱动式微流体 芯片实现磁珠液滴分离、融合、收集、输送和混合的微流体芯片操控过程，为 本文的后续研究工作垫定基础。 ( 3 ) 以提高微流体芯片微混合器混合效率，研究分析混合关键部件电磁 单元的设计方法。首先，对静态液滴磁珠操控进行了理论分析，找出影响磁珠 操控的主要因素。其次，对平面微线圈三维磁场分布特性进行了理论数值计算， 并用m a t l a b 数值计算工具模拟出三维磁场分布。应用商用成熟的有限元软件分 1 5 1 绪论 析微线圈三维静态磁场，结合理论数值计算方法，找出最优的三维微线圈有限 元建模、约束条件施加方法。然后，基于单层平面微线圈有限元分析方法，分 析多层平面线圈和永磁铁的耦合磁场。最后基于a n s y s 和m a t l a b 两种工具提出 一种磁珠操控可行性计算方法，用此方法指导平面微线圈相关设计参数。 ( 4 ) 装置中用于磁珠操控的平面微线