交流電滲驅(qū)動(dòng)水溶液的研究

趙俞杰

摘要：微流體的驅(qū)動(dòng)與控制是微流控芯片中一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，交流電滲驅(qū)動(dòng)具有電壓低、不易產(chǎn)生氣泡、易與芯片相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，在微流控系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行了交流電滲非對(duì)稱(chēng)電極微泵驅(qū)動(dòng)水溶液的研究。實(shí)驗(yàn)顯示：隨著頻率從100hz增加到1000hz時(shí)，交流電滲速率隨著頻率的增加而增加，在500hz至1000hz時(shí)會(huì)出現(xiàn)速率最大值，在1000hz之后，速率會(huì)下降。大小電極寬度比較大，大小電極之間間隔較小，交流電滲速率較快。當(dāng)溶液電導(dǎo)率為10μs/cm時(shí)，電滲速率最大。

關(guān)鍵詞：交流電滲驅(qū)動(dòng)，微通道，水溶液

一、前言

1989年，德國(guó)Manz教授提出了全微分析系統(tǒng)（Micro Total Analysis System），主要是將實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)樣（Sampling）、混合樣品（Mixing）、傳輸（Sample transport）、反應(yīng)（Reaction）、分離（Separation） 及檢測(cè)（Detection）等功能，全部集成在芯片上，使其具有生化反應(yīng)、分離與檢測(cè)等功能。使用少量的檢測(cè)試劑即可完成全自動(dòng)的分析，減少人為操作造成感染的問(wèn)題。

微流體的驅(qū)動(dòng)與控制是微流控芯片中一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，目前推動(dòng)微流體的方式主要分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵。近些年來(lái)，微機(jī)械泵取得了很大進(jìn)展，但離完全市場(chǎng)化還有很長(zhǎng)一段路，一方面由于微機(jī)械泵所能提供的流量和壓力非常有限，另一方面，機(jī)械式微泵有致命的缺陷，它存在活動(dòng)部件，這嚴(yán)重影響機(jī)械式微泵的工作壽命，而且制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，難于集成到實(shí)驗(yàn)室芯片中，這些都縮小了機(jī)械式微泵進(jìn)一步應(yīng)用的空間。相反，非機(jī)械師微泵裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)須機(jī)械裝置就能更有效推動(dòng)流體，且容易控制，因此廣泛的被應(yīng)用于微流體的傳輸上。

電滲泵是非機(jī)械式微泵重要分支。電滲泵就是依據(jù)電滲原理設(shè)計(jì)出來(lái)的，根據(jù)施加的電壓類(lèi)型可以分為直流電滲微泵和交流電滲微泵。直流電滲微泵流量可調(diào)、范圍寬、無(wú)活塞、無(wú)閥、無(wú)動(dòng)態(tài)密封、制造成本低和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于需要在高壓的條件下完成，溶液容易發(fā)生電解反應(yīng)，熱量大大產(chǎn)生，氣泡也隨之而生，進(jìn)而對(duì)微流體流動(dòng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾。其次，超大電壓造成了一定的危害性，因此直流電滲泵的適用受到一定的限制。而交流電滲驅(qū)動(dòng)具有電壓低、不易產(chǎn)生氣泡、易與芯片相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，在微流控系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1809 年，Ruess 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電動(dòng)現(xiàn)象（Electrokinetics），由此開(kāi)始了早期的電滲流理論的研究。而交流電滲現(xiàn)象的出現(xiàn)較晚，直到 1998 年，A. Romas在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了交流電滲現(xiàn)象，證明了電滲現(xiàn)象并非只存在于直流電場(chǎng)中，并由此才開(kāi)始了對(duì)交流電滲微流體驅(qū)動(dòng)的研究。2005 年，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院 Cahill博士在對(duì)平行陣列電極施加相位差為 90°的連續(xù)電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)流體出現(xiàn)明顯的流動(dòng)現(xiàn)象，依此原理設(shè)計(jì)的微泵即行波交流電滲微泵[1]。

交流電滲泵分為交流電滲非對(duì)稱(chēng)電極微泵和行波交流電滲微泵。非對(duì)稱(chēng)電極微泵加工簡(jiǎn)單，所需電壓低、不易產(chǎn)生氣泡、易與芯片相結(jié)合。但是其缺點(diǎn)主要是流體流線(xiàn)不夠平直，且流體只能單向流動(dòng)。行波交流電滲微泵不僅具有交流電滲非對(duì)稱(chēng)電極微泵的優(yōu)點(diǎn)，并且其流動(dòng)穩(wěn)定、平直、流速更大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的雙向驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是加工難度較高。本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行了交流電滲非對(duì)稱(chēng)電極微泵驅(qū)動(dòng)水溶液的研究。

二、實(shí)驗(yàn)

為研究電極尺寸對(duì)交流電滲驅(qū)動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)4種不同尺寸的非對(duì)稱(chēng)電極。電極尺寸如下表所示。芯片基底材料選擇石英玻璃，微電極由金制作。由中國(guó)科學(xué)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。將PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）溶液及引發(fā)劑按10∶1比例進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢瑁缓笥谜婵毡贸ト芤褐械臍馀?最后，將溶液倒入微通道模板（中科院高能所加工），置于恒溫為 80℃的恒溫箱內(nèi)，烘烤 120分鐘，使其固化。將制好的微通道取出，在微通道兩端打孔，用環(huán)氧樹(shù)脂將微通道與微電極板粘和在一起，制成交流電滲驅(qū)動(dòng)芯片。

2實(shí)驗(yàn)方法

在水溶液中添加KCl濃溶液，通過(guò)電導(dǎo)率儀（雷磁 DDSJ-308F，中國(guó)）來(lái)監(jiān)測(cè)溶液的電導(dǎo)率。在溶液中添加直徑為 1微米的聚苯乙烯小球（天津市倍思樂(lè)色譜技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，中國(guó)）來(lái)作為示蹤粒子。由信號(hào)發(fā)生器（TGA1244，TTI公司，英國(guó)）產(chǎn)生交流電信號(hào)施加在微電極，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。使用顯微鏡（XSP-22AY，上海光學(xué)儀器六廠(chǎng)，中國(guó)）監(jiān)測(cè)流體。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）不同電極尺寸對(duì)交流電滲流速的影響

電導(dǎo)率 10μs/cm， 25℃， 微通道高度：500μm，交流電壓 3.5V;測(cè)量位置在電極上面9.6μm（A）：尺寸一;（B）： 尺寸二; （C）： 尺寸三，; （D）：尺寸四。

實(shí)驗(yàn)顯示：隨著頻率從100hz增加到1000hz時(shí)，交流電滲速率隨著頻率的增加而增加，在500hz至1000hz時(shí)會(huì)出現(xiàn)速率最大值，在1000hz之后，速率會(huì)下降。電極尺寸的影響為：大小電極寬度比較大，大小電極之間間隔較小，交流電滲速率較快。

25℃， 通道高度：500μm，交流電壓 3.5V;電極尺寸四。測(cè)量位置在電極上面9.6μm電導(dǎo)率：（A）：5μs/cm（B）：10μs/cm（C）：20μs/cm。

實(shí)驗(yàn)顯示：隨著溶液電導(dǎo)率的增加，電滲速率先增大后減小，并當(dāng)溶液電導(dǎo)率為10μs/cm時(shí)，電滲速率最大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 利用交流電滲透驅(qū)動(dòng)流體與微粒子 P1-P6 研究生：吳俊賢 指導(dǎo)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 指導(dǎo)教授 ： 楊瑞珍

[3] 微流體的電滲驅(qū)動(dòng)及其相關(guān)技術(shù)的研究 博士研究生：楊胡坤 導(dǎo)師：王揚(yáng)教授