【《微流控芯片原理综述》2400字】

第微流控芯片原理综述1.1电润湿原理电润湿（EWOD）效应已被定义为“由于固体和电解质之间施加的电势差引起的固体-电解质接触角的变化”[4]。电润湿现象是通过施加交流电压驱动液滴实现的。电解质液滴边缘电场趋于将小滴向下拉到电极上，从而降低了宏观接触角并增加了液滴的接触面积[4]。如果对嵌入式电极的阵列进行构图，则当通过控制嵌入式电极阵列的一部分来激活液滴基体的部分区域时，液滴可以移动到激活区域。然后可以使用EWOD设备操作液滴以进行分配，运输，分裂，合并和混合。理想的介质层可以阻止电极与电解液之间的电荷交换，在电压驱动下，导致接触面电荷的再分布，接触角发生变化，液滴所受驱动力也变得更大。介质层隔离了电解液与电极，起到了屏蔽双电层等效电容影响的作用。图1-1介电润湿原理图1.2Young方程由于接触面模型在微观上十分复杂，分子间作用力起到重要作用，液滴在接触面上的受力依赖于接触角。接触角是在界面处经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角[5]，以θ表示。接触角取决于液体自由表面上方的介质，以及液体和固体接触的性质。它与固体相对于液体表面的倾斜度无关。它随表面张力变化，因此随液体的温度和纯度变化。它通过Young方程来解释介电层上液滴的微观电润湿情况。如图1-2所示，液滴在这三个力的作用下保持平衡状态，即合力为0。该方程是由托马斯·杨在1804年提出，命名为润湿角杨氏方程（公式1-1）。图1-2液滴受力分析图γlg其中γlg是液体与气体界面的表面张力，γsl是液体与固体界面的表面张力，γsg是固体与气体界面的表面张力，θ为接触角。接触角θ是判定润湿性程度的依据。且θ越小.润湿性越好[6]。1.3表面张力表面张力是使静止的液体表面收缩到可能的最小表面积的趋势[1]。表面张力可以使一些物体在水面上漂浮和滑动而不会被部分淹没。以微观角度分析，如图1-3所示，在液-气界面，表面张力是由液体分子相互之间的吸引力（由于内聚力）比空气中的分子（由于粘附）引起的。有两个受力趋势在起作用。F1是平行于液体表面的切向力。这种切向力（每单位长度）通常称为表面张力。F2是在表面分子上的向内力，导致液体收缩。表面张力影响液滴的形状。液滴尽管容易变形，但是由于表面层的内聚力的不平衡，水滴倾向于被拉成球形。在没有其他力的情况下，液滴形状几乎都是球形的。图1-3表面张力分析对于表面较大的物体，表面张力相较于其他的力可以忽略。但当物体很小时，表面张力将成为重点受力分析对象。以液滴为例，其受到的表面张力见公式(1-2)，其中γ为表面张力系数，单位为N/m。所受重力见公式(1-3)，ρ为液体密度，g为重力加速度。当表面张力与重力相等时即可得出液体的临界半径r，见公式(1-4)。以水为例，其表面张力系数为72.8N/m,计算可得临界半径为3.34mm。对于本文研究的体积为μL量级的微液滴而言，表面张力是主要的驱动力。利用液体表面各处的表面张力的变化，来改变接触角，例如液滴右边界表面张力小于左边界的表面张力，则液滴右边界与气体、固体界面形成的接触角小于左边界的接触角，即液滴左边界相对于右边界而言表现出更加明显的疏水性，液滴将向右运动，即液滴的移动方向与表面张力减小的方向一致。既当两边存在张力差时，液滴开始移动。F=2πrγ（1-2）G=43R=3r表面张力与液体种类，浓度，温度等因素有关。图1-4为不同液体的表面张力。图1-4不同液体的表面张力。 根据不同物质的表面张力的性质各不相同，使表面张力可应用于材料，医疗，洗涤剂等诸多方面。1.4微流控芯片结构微流控芯片可实现化学或生物样品的制备、反应、分离、检测等功能，并将实验所需功能元件集成在同一个芯片上。微流控芯片使设计和反应过程在芯片各个相连的路径与功能模块之间进行。实验用反应液和反应物生成完毕后，通过纳米级机械泵、和电渗流等方法将反应液驱动到各个功能模块，形成微流路。从而实现在一片芯片上进行一步或多步实验操作。EWOD芯片面积一般约为几平方厘米。通过对液滴进行驱动是EWOD芯片区别与微阵列芯片的最明显区别。所以EWOD芯片也被称为主动式芯片。微流路系统是微全分析系统中常用的用于进行化学反应操作功能的模块。微型反应器便是基于这个系统制作的。图1-5微型反应器传统的微流控芯片芯片由基底，介电层，疏水层三层结构组成。要选用具有绝缘性好，且可用于进行光学实验的材料来制作基底。并且有一定的导热性。有一定空间能容纳一些基本结构，抗噪声能力强;在微全分析系统的模块之间能进行实验操作的时候，不与其发生反应。基底素材由硅片进化到玻璃，二氧化硅，高分子聚合物等。介电层的制作一般采用光刻和蚀刻技术。介质层的存在正是为了减小驱动电压对酶等活性反应试剂的破坏。为了降低驱动电压则需采用具有高介电常数的介质层。所以目前科学家致力于寻找高介电常数的介质层。除了介质层之外，疏水层也是基于介电润湿原理芯片的另一重要结构。疏水层可以降低对液滴的阻力，使得液滴更易被驱动。普通的微流控芯片是在介质层的基础上制作疏水层。图1-6微流控芯片结构目前EWOD芯片主要分为两种类，一种是基于连续流体的微流控芯片[7]，该芯片以连续流体进行基本操作，采用硅和高分子聚合物搭建微流道系统。但是连续流体在较小的通道内会受到黏性阻力的干扰,部分流体将吸附在微通道壁上。造成一定的实验误差。此外在微流道系统中反应试剂的移动，反应时间和反应程度也难以控制，还需在未来继续研究。现在微机电系统在微流控芯片的应用成功解决了一些问题。但是MEMS的应用也提高了微电子工艺设计的门槛,所以EWOD芯片的发展较为缓慢。此外基于连续流体的EWOD芯片只能实现串行化工作，效率低。第二种是基于单液滴的数字微流控芯片[7]，也是本文的主要研究方向。与第一种不同的是，该研究是基于单个离散液滴控制的实验。可实现