微流控非接触电导检测芯片的设计与模拟

1、本人精心整理的文档,文档来自网络 本人仅收藏整理 如有错误 还请自己查证！ 微流控非接触电导检测芯片的设计与模拟 赵苹1 傅崇岗1* 王立新2 （1.聊城大学 化学化工学院 聊城252059；2.聊城大学 传媒技术学院 聊城252059） 摘要：采用微加工技术制作了微芯片非接触电导检测系统 考察了激励电压、激励频率、浓度对输出信号的影响 采用wewb5.0软件对检测池的模拟电路进行了仿真模拟 通过比较实验和模拟结果 发现二者具有较好的一致性 说明模拟电路较好地反映了非接触电导检测池的电气特性 关键词：微流控芯片；非接触电导检测池；等效电路模拟 中图分类号：O657. 8 文献标识码：A 文章编

2、号： Design and simulation of Microfluidic chip with contactless conductivity detection ZHAO Ping1, FU Chong-Gang1*, WANG Li-Xin2 (1.School of chem.and chem. Eng.,Liaocheng University, Liaocheng, 252059, China；2.School of Media and Communication Technology,Liaocheng University, Liaocheng, 252059,China

3、 Abstract:A microchip system with contactless conductivity detection (CCD was manufactured by micro-fabricating technology. A variety of factors affecting output signals such as excitation voltage, excitation frequency and solution concentrations were investigated. The equivalent circuit of the CCD

4、detection cell was simulated using wewb5.0 software. It was found that the experimental and simulation results were in good agreement. The equivalent circuit well represented the electrical characteristics of CCD cell Keywords: Microfluidic chip；contactless conductivity detection cell； equivalent ci

5、rcuit simulation 收稿日期：2011-05-10 基金项目: 国家自然科学基金(No. 20675036 ,山东省自然科学基金( Y2006B04 作者简介: 赵苹(1985 - ,女,山东莱芜人 硕士研究生, 主要从事毛细管电泳研究 傅崇岗（1965-）,男 山东聊城人 教授 主要从事微分离技术研究 微流控芯片是微全分析系统的重要发展方向 它通过将多个操作单元集成到厘米级大小的微小芯片上 达到对样品的自动化、集成化分析检测 具有分辨率高、成本低、耗样量少、快速灵敏等优点 在基因分析、临床检测等领域得到了广泛应用1 非接触电导检测是近几年来发展起来的一种新型检测技术 常用于毛细

6、管电泳和芯片电泳 它避免了电极与溶液的直接接触 仅置于分离通道末端的两侧 将一高频交流信号作用在激励电极上 电极同分离通道内的溶液电容耦合形成闭合回路 由于样品和缓冲溶液间电导的差别 从而产生响应信号 非接触电导检测器的优点在于电极材料多种多样 而且易于集成 检测器结构简单 易于定位 其外围检测电路设备简 单 整个检测系统易微型化2 非接触电导检测器的研究3-7已有十多年的历史 但国内在这方面的研究还刚刚起步 检测池结构对其性能有显著影响 常见的检测池结构多种多样 有圆形、矩形和半圆形等 本文在前人工作的基础上 设计制作了一种新型微流控非接触电导检测芯片 利用wewb5.0软件对检测池的等效电

7、路进行了仿真模拟 为下一步优化检测池的结构奠定基础 1 理论部分 非接触电导检测8-11（Contactless conductivity detection CCD）的原理同接触电导检测类似 都是对溶液的电导进行测量 后者避免了电极与溶液的直接接触 阻止了电极与溶液间的电化学反应 延长了电极的使用寿命 并有效地消除了高压直流电场的干扰 图1 两电极非接触电导检测器示意图 Fig.1 Schematic diagram of two electrodes contactless conductivity detector 两电极非接触电导检测器见图1 激励源提供高频正弦激励电压 并施加在激励电

8、极上 由于通道管壁的电容耦合作用 溶液中便会出现高频电流信号 其强度与其电导率成正比 非接触电导检测池的等效电路见图2 图2 非接触电导检测池的等效电路图 Fig.2 Equivalent circuit diagram of CCD cell Ci-以绝缘层为介质的电容；Cb-以溶液为介质的电容；R-溶液的阻抗 当待分离物质未到达检测池时： （1） （2） （3） （4） 当待分离物质到达检测池时： （5） （6） 式中Rb为分离物质未到达检测池时缓冲液形成的电阻 Rs为分离物质经过检测池时以其为介质形成的电阻 w为有效电极截面的长度和宽 h为两电极之间的间距 d为玻璃膜绝缘层的厚度 0为真

9、空介电常数 r和b分别为绝缘层和缓冲液的相对介电常数 s和b分别为分离物质和缓冲液的电导率 其中 Gb、Gs分别表示缓冲液和待分离物质的电导 故当待分离物质流经检测池时的电导差G为： （7） 由于s和b为定值 由（7）式可知G随和w的增大而增大 随h的增大而减小 因此提高检测器灵敏度的措施之一就是增大电极的面积 2 试验部分 2.1仪器与试剂 SK 3200LH超声波清洗器 L3-11-P320马弗炉 JKG-2A 型光刻机 DZF-6020型真空干燥箱 BF-320A超声波打孔器 FIA-3100流动注射分析仪 XWTD 204自动平衡记录仪 MD-1001微渗析泵 SG 3006匀胶铬版（

10、铬层厚度145 nm 光胶类别S-1805 胶厚570 nm） 去铬液：硝酸铈 铵-高氯酸-水（5g+1.2ml+30ml）；铬版玻璃刻蚀液：1 mol·L-1 氢氟酸-1 mol·L-1 氟化铵溶液；显影液：5g·L-1的氢氧化钠溶液；1.0×10-1 ? 1.0×10-4mol·L-1的氯化钠标准溶液；试剂均为分析纯 所用水为三次蒸馏水 2.2 玻璃芯片微通道的制作 玻璃微流控芯片的加工过程包括光掩模设计和制作、曝光、显影、刻蚀和键合等步骤 （1）掩膜图形设计 采用绘图软件CorelDraw 12.0设计掩模图形（见图3） 通过分

11、辨率为3600dpi的激光打印机将其打印在胶片上 用作光掩膜 （2）光刻、显影 接通光刻机的电源 待汞灯稳定15 min后 将掩膜叠放在匀胶铬版玻璃上 并用夹具将两者夹紧 放置在承片台的正中位置 分离曝光60 s 经曝光的匀胶铬片在显影液中显影 在三次水中清洗后 置于110 烘箱中坚膜10 min 置于去铬液中20 s 去除被曝光的铬层 在三次水中清洗 后在130 下加热30 min坚膜 （3）湿法刻蚀 将光刻后的玻璃基片放入盛有50 玻璃刻蚀液的塑料器皿中进行刻蚀30 min 刻蚀后先用三次水清洗干净 后在乙醇中去除光刻胶 再在去铬液中将剩余的铬层去除 从而得到刻蚀好的玻璃基片 （4）超声波

12、打孔 高温键合 用超声波打孔器在玻璃基片相应的位置上打完孔后 将加工好的基片和同种型号的空白玻璃盖片分别在三次水 无水甲醇 丙酮 双氧水 三次水中超声清洗10 min；后放入硫酸-过氧化氢(4+1的混合液中浸泡12 h 三次水清洗后 置于氨水-过氧化氢-水(2+1+5混合液中处理15 min 使键合表面水解产生更多的OH基团 以便于牢固键合 然后用三次水超声洗涤至中性 放置在三次水中待用 （注意：处理过程中要用洁净的镊子移送样片 禁用手触 防止污染） 在三次水中将玻璃芯片的基片和盖片紧密贴合 然后从水中取出 置于大理石石板上 在真空干燥箱中升温到100 保持2 h 冷却后转移到马弗炉中高温键合

13、 键合时高温炉升温速率为5 ·min-1 在100 恒温1h后 以5 ·min-1速率升温至650 恒温5 h后自然降温 制得玻璃微流控芯片 2.3 非接触电导检测池的制作 在键合好的微芯片玻璃盖片上涂覆一层2 mm厚的热熔石蜡 在离载液废液池4mm处的石蜡上刻划出长为25 mm 宽为6 mm的矩形通道 然后使芯片倾斜 用流动注射分析仪的蠕动泵抽取玻璃刻蚀液 使其沿通道缓慢流下 循环使用玻璃刻蚀液 刻蚀2 h后 形成一个深1 mm、宽6.5 mm的凹槽 激励电极与接受电极固定凹槽内 并分别置于分离通道的两侧（图3） 凹槽与载液通道之间留有15 m厚的玻璃膜绝缘层 在两电极之

14、间横跨一个接地铝电极 以减小激励电极与接受电极之间的直接耦合 最后用环 氧树脂胶将三个电极固定在凹槽的相应位置 各电极用铜丝作引线 连至非接触电导检测器相关端子 图3 微流控非接触电导检测系统示意图 Fig.3 Schematic diagram of microfluidic system with CCD 1-载液池； 2-样品池； 3-样品液废液池； 4-载液废液池； 5-CCD检测池 2.4 试验方法 取两个直径均为2 mm的软橡皮塞 各在其中心打一直径为0.5 mm的孔 分别将其插入载液池和样品池内 然后将内径0.6 mm、外径0.8 mm的聚四氟乙烯塑料管的一端插入软橡皮塞内 另一

15、端与微渗析注射器相连接 实验之前依次用三次水和载液冲洗微通道5 min 设置渗析泵流量为2.0 l·min-1 先进样3 min 后切换成载液 由于样品与载液的浓度不同 电导不同 从而产生输出信号 该信号由台式自动平衡记录仪记录 每天实验完毕通道用三次水充满 以免堵塞微通道 实验过程中保持室温为25 2.5 非接触电导检测池的仿真模拟方法 选用wewb5.0软件对检测器的等效电路进行仿真模拟 该方法比用电路阻抗函数式计算要简单、快捷、方便 模拟电路图见图4 模拟相关参数见表1和表2 表1氯化钠溶液的电导率和相对介电常数12（25 ） Tab. 1 Conductivity and r

16、elative permittivity of NaCl solution (25） 浓度(mol/L 电导率（-1·m-1） 相对介电常数b 1.0×10-1 1.0674 73.341 1.0×10-2 0.11851 73.499 1.0×10-3 0.012374 74.089 1.0×10-4 0.0095767 74.236 检测电极长为1 mm 电极宽w为100 m 两电极之间的距离（即分离通道的宽度）h为150 m 玻璃绝缘膜的相对介电常数r为8 真空介电常数0为8.85×10-12 F·m-1 将上述值分别

17、代入公式(2和(3 计算等效电路模型中的电容值Cb和电阻值Rb 结果见表2 表2非接触电导检测池等效电路图的电容值Cb和电阻值Rb Tab. 2 Capacitance Cb and resistance Rb of CCD cell for equivalent circuit diagram 浓度(mol/L 电容Cb（pF） 电阻Rb (k 1.0×10-1 0.4327 1.405 1.0×10-2 0.4336 12.657 1.0×10-3 0.4371 121.222 1.0×10-4 0.4380 156.630 绝缘膜厚度d为15 m

18、玻璃绝缘膜的相对介电常数r为8 将、w、r、0值代入公式（1） 计算电容值Ci为0.472 pF; 空气的相对介电常数r为1 通过类似计算得Cw1、Cw2均为0.0295 pF 将所有计算的参数输入图4进行模拟 图4非接触电导检测池等效电路模拟装置图 Fig.4 Simulation device for equivalent circuit of CCD cell 3 结果与讨论 3.1 激励电压的影响 在2 ? 11 V的电压范围内 考察了激励电压对输出信号的影响 从图5中可以看出 激励 图5 激励电压对输出信号的影响 Fig.5 Effect of excitation voltage

19、on output signal 激励频率：220 kHz；载液：1.0×10-1mol·L-1氯化钠溶液；样品溶液：1. 0×10-2 mol·L-1氯化钠溶液 电压越大 产生的输出信号越强 但当激励电压增加到7 V时 噪声和信号同比增长 继续增大激励电压并不能改善信噪比 因此本文激励电压选择为7 V 3.2 激励频率的影响 在90 ? 440 kHz的频率范围内 考察了激励频率对输出信号的影响 激励频率对输出信号的影响不仅同检测池的几何尺寸、分离条件有关 而且还受所用运算放大器性能的制约 图6 激励频率对输出信号的影响 Fig.6 Effect of

20、 excitation frequency on output signal 激励电压：7 V；其它条件同图5 由图6知 随着频率的增大 输出信号是逐渐增大的；但当激励频率超220 kHz时 受运算放大器增益的限制 输出信号变化缓慢 而且噪声也变得较为显著 因此 本文激励频率选择为220 kHz 3.3 浓度的影响 固定激励电压为7 V 激励频率为220 kHz, 改变不同浓度的样品液和载液 考察浓度对输出信号的影响 图7 不同浓度时输出信号与频率的关系 Fig.7 The relationship between output signal and frequency with different concentrations 载液：1.0×10-1 mol·L-1氯化钠溶液；样品溶液：1.0×10-2mol·L-1氯化钠溶液；载液：1.0×1