论文部分内容阅读
摘要：微流体的驱动与控制是微流控芯片中一项重要的关键技术，交流电渗驱动具有电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合的优点，在微流控系统中具有重要的应用价值。本次实验主要进行了交流电渗非对称电极微泵驱动水溶液的研究。实验显示：随着频率从100hz增加到1000hz时，交流电渗速率随着频率的增加而增加，在500hz至1000hz时会出现速率最大值，在1000hz之后，速率会下降。大小电极宽度比较大，大小电极之间间隔较小，交流电渗速率较快。当溶液电导率为10μs/cm时，电渗速率最大。
关键词：交流电渗驱动，微通道，水溶液
一、前言
1989年，德国Manz教授提出了全微分析系统（Micro Total Analysis System），主要是将实验室中进样（Sampling）、混合样品（Mixing）、传输（Sample transport）、反应（Reaction）、分离（Separation） 及检测（Detection）等功能，全部集成在芯片上，使其具有生化反应、分离与检测等功能。使用少量的检测试剂即可完成全自动的分析，减少人为操作造成感染的问题。
微流体的驱动与控制是微流控芯片中一项重要的关键技术，目前推动微流体的方式主要分为机械式微泵和非机械式微泵。近些年来，微机械泵取得了很大进展，但离完全市场化还有很长一段路，一方面由于微机械泵所能提供的流量和压力非常有限，另一方面，机械式微泵有致命的缺陷，它存在活动部件，这严重影响机械式微泵的工作寿命，而且制作工艺复杂、价格昂贵，难于集成到实验室芯片中，这些都缩小了机械式微泵进一步应用的空间。相反，非机械师微泵装置构造简单，无须机械装置就能更有效推动流体，且容易控制，因此广泛的被应用于微流体的传输上。
电渗泵是非机械式微泵重要分支。电渗泵就是依据电渗原理设计出来的，根据施加的电压类型可以分為直流电渗微泵和交流电渗微泵。直流电渗微泵流量可调、范围宽、无活塞、无阀、无动态密封、制造成本低和设计简洁等优点。但是，由于需要在高压的条件下完成，溶液容易发生电解反应，热量大大产生，气泡也随之而生，进而对微流体流动的稳定性产生干扰。其次，超大电压造成了一定的危害性，因此直流电渗泵的适用受到一定的限制。而交流电渗驱动具有电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合的优点，在微流控系统中具有重要的应用价值。
1809 年，Ruess 在实验中发现了电动现象（Electrokinetics），由此开始了早期的电渗流理论的研究。而交流电渗现象的出现较晚，直到 1998 年，A. Romas在实验中发现了交流电渗现象，证明了电渗现象并非只存在于直流电场中，并由此才开始了对交流电渗微流体驱动的研究。2005 年，瑞士联邦工学院 Cahill博士在对平行阵列电极施加相位差为 90°的连续电压信号时，发现流体出现明显的流动现象，依此原理设计的微泵即行波交流电渗微泵[1]。
交流电渗泵分为交流电渗非对称电极微泵和行波交流电渗微泵。非对称电极微泵加工简单，所需电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合。但是其缺点主要是流体流线不够平直，且流体只能单向流动。行波交流电渗微泵不仅具有交流电渗非对称电极微泵的优点，并且其流动稳定、平直、流速更大，可以实现对流体的双向驱动等优点。其缺点是加工难度较高。本次实验主要进行了交流电渗非对称电极微泵驱动水溶液的研究。
二、实验
为研究电极尺寸对交流电渗驱动的影响，设计4种不同尺寸的非对称电极。电极尺寸如下表所示。芯片基底材料选择石英玻璃，微电极由金制作。由中国科学院高能物理研究所加工。
（2）微通道的制作
微通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。将PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）溶液及引发剂按10∶1比例进行混合，充分搅拌，然后用真空泵除去溶液中的气泡;最后，将溶液倒入微通道模板（中科院高能所加工），置于恒温为 80℃的恒温箱内，烘烤 120分钟，使其固化。将制好的微通道取出，在微通道两端打孔，用环氧树脂将微通道与微电极板粘和在一起，制成交流电渗驱动芯片。
2实验方法
在水溶液中添加KCl浓溶液，通过电导率仪（雷磁 DDSJ-308F，中国）来监测溶液的电导率。在溶液中添加直径为 1微米的聚苯乙烯小球（天津市倍思乐色谱技术开发中心，中国）来作为示踪粒子。由信号发生器（TGA1244，TTI公司，英国）产生交流电信号施加在微电极，驱动流体流动。使用显微镜（XSP-22AY，上海光学仪器六厂，中国）监测流体。
三、实验结果与讨论
（1）不同电极尺寸对交流电渗流速的影响
电导率 10μs/cm， 25℃， 微通道高度：500μm，交流电压 3.5V;测量位置在电极上面9.6μm（A）：尺寸一;（B）： 尺寸二; （C）： 尺寸三，; （D）：尺寸四。
实验显示：随着频率从100hz增加到1000hz时，交流电渗速率随着频率的增加而增加，在500hz至1000hz时会出现速率最大值，在1000hz之后，速率会下降。电极尺寸的影响为：大小电极宽度比较大，大小电极之间间隔较小，交流电渗速率较快。
25℃， 通道高度：500μm，交流电压 3.5V;电极尺寸四。测量位置在电极上面9.6μm电导率：（A）：5μs/cm（B）：10μs/cm（C）：20μs/cm。
实验显示：随着溶液电导率的增加，电渗速率先增大后减小，并当溶液电导率为10μs/cm时，电渗速率最大。
参考文献：
[1] 利用交流電滲透驅動流體與微粒子 P1-P6 研究生：吳俊賢 指导教授 ：呂宗行
[2] 交流電滲流在微管道之研究：傳輸與混合 P2-P4研究生 ： 翁啟能 指导教授 ： 楊瑞珍
[3] 微流体的电渗驱动及其相关技术的研究 博士研究生：杨胡坤 导师：王扬教授
关键词：交流电渗驱动，微通道，水溶液
一、前言
1989年，德国Manz教授提出了全微分析系统（Micro Total Analysis System），主要是将实验室中进样（Sampling）、混合样品（Mixing）、传输（Sample transport）、反应（Reaction）、分离（Separation） 及检测（Detection）等功能，全部集成在芯片上，使其具有生化反应、分离与检测等功能。使用少量的检测试剂即可完成全自动的分析，减少人为操作造成感染的问题。
微流体的驱动与控制是微流控芯片中一项重要的关键技术，目前推动微流体的方式主要分为机械式微泵和非机械式微泵。近些年来，微机械泵取得了很大进展，但离完全市场化还有很长一段路，一方面由于微机械泵所能提供的流量和压力非常有限，另一方面，机械式微泵有致命的缺陷，它存在活动部件，这严重影响机械式微泵的工作寿命，而且制作工艺复杂、价格昂贵，难于集成到实验室芯片中，这些都缩小了机械式微泵进一步应用的空间。相反，非机械师微泵装置构造简单，无须机械装置就能更有效推动流体，且容易控制，因此广泛的被应用于微流体的传输上。
电渗泵是非机械式微泵重要分支。电渗泵就是依据电渗原理设计出来的，根据施加的电压类型可以分為直流电渗微泵和交流电渗微泵。直流电渗微泵流量可调、范围宽、无活塞、无阀、无动态密封、制造成本低和设计简洁等优点。但是，由于需要在高压的条件下完成，溶液容易发生电解反应，热量大大产生，气泡也随之而生，进而对微流体流动的稳定性产生干扰。其次，超大电压造成了一定的危害性，因此直流电渗泵的适用受到一定的限制。而交流电渗驱动具有电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合的优点，在微流控系统中具有重要的应用价值。
1809 年，Ruess 在实验中发现了电动现象（Electrokinetics），由此开始了早期的电渗流理论的研究。而交流电渗现象的出现较晚，直到 1998 年，A. Romas在实验中发现了交流电渗现象，证明了电渗现象并非只存在于直流电场中，并由此才开始了对交流电渗微流体驱动的研究。2005 年，瑞士联邦工学院 Cahill博士在对平行阵列电极施加相位差为 90°的连续电压信号时，发现流体出现明显的流动现象，依此原理设计的微泵即行波交流电渗微泵[1]。
交流电渗泵分为交流电渗非对称电极微泵和行波交流电渗微泵。非对称电极微泵加工简单，所需电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合。但是其缺点主要是流体流线不够平直，且流体只能单向流动。行波交流电渗微泵不仅具有交流电渗非对称电极微泵的优点，并且其流动稳定、平直、流速更大，可以实现对流体的双向驱动等优点。其缺点是加工难度较高。本次实验主要进行了交流电渗非对称电极微泵驱动水溶液的研究。
二、实验
为研究电极尺寸对交流电渗驱动的影响，设计4种不同尺寸的非对称电极。电极尺寸如下表所示。芯片基底材料选择石英玻璃，微电极由金制作。由中国科学院高能物理研究所加工。
（2）微通道的制作
微通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。将PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）溶液及引发剂按10∶1比例进行混合，充分搅拌，然后用真空泵除去溶液中的气泡;最后，将溶液倒入微通道模板（中科院高能所加工），置于恒温为 80℃的恒温箱内，烘烤 120分钟，使其固化。将制好的微通道取出，在微通道两端打孔，用环氧树脂将微通道与微电极板粘和在一起，制成交流电渗驱动芯片。
2实验方法
在水溶液中添加KCl浓溶液，通过电导率仪（雷磁 DDSJ-308F，中国）来监测溶液的电导率。在溶液中添加直径为 1微米的聚苯乙烯小球（天津市倍思乐色谱技术开发中心，中国）来作为示踪粒子。由信号发生器（TGA1244，TTI公司，英国）产生交流电信号施加在微电极，驱动流体流动。使用显微镜（XSP-22AY，上海光学仪器六厂，中国）监测流体。
三、实验结果与讨论
（1）不同电极尺寸对交流电渗流速的影响
电导率 10μs/cm， 25℃， 微通道高度：500μm，交流电压 3.5V;测量位置在电极上面9.6μm（A）：尺寸一;（B）： 尺寸二; （C）： 尺寸三，; （D）：尺寸四。
实验显示：随着频率从100hz增加到1000hz时，交流电渗速率随着频率的增加而增加，在500hz至1000hz时会出现速率最大值，在1000hz之后，速率会下降。电极尺寸的影响为：大小电极宽度比较大，大小电极之间间隔较小，交流电渗速率较快。
25℃， 通道高度：500μm，交流电压 3.5V;电极尺寸四。测量位置在电极上面9.6μm电导率：（A）：5μs/cm（B）：10μs/cm（C）：20μs/cm。
实验显示：随着溶液电导率的增加，电渗速率先增大后减小，并当溶液电导率为10μs/cm时，电渗速率最大。
参考文献：
[1] 利用交流電滲透驅動流體與微粒子 P1-P6 研究生：吳俊賢 指导教授 ：呂宗行
[2] 交流電滲流在微管道之研究：傳輸與混合 P2-P4研究生 ： 翁啟能 指导教授 ： 楊瑞珍
[3] 微流体的电渗驱动及其相关技术的研究 博士研究生：杨胡坤 导师：王扬教授