被動式液體微混合器芯片的研制

張雅雅，彭 湉，王 洪，李桂林，崔建國

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

近10年來，微流體技術(shù)發(fā)展迅速，涉及醫(yī)學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域，大量的學(xué)者正在開展各種微流體芯片的研究［1-3］。微流體混合器是微流控芯片的重要組成部分之一，它能有效且快速地將多種溶液充分混合，加快試樣液體的檢測和分析速度，具有優(yōu)于常規(guī)混合設(shè)備的多種優(yōu)點，在化學(xué)合成、生物反應(yīng)、高通量篩選等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用前景［4］。如何有效提高微混合器的混合效率是目前微流體領(lǐng)域的研究熱點之一［5］。當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于微混合器的相關(guān)研究主要包括微混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯片制作加工、流體混合實驗及效果分析、流體力學(xué)計算仿真等方面［6-8］。微混合器的通道結(jié)構(gòu)一般在幾十到幾百微米，在該尺寸范圍內(nèi)，流路的雷諾數(shù)非常小，且無渦流現(xiàn)象產(chǎn)生，液體間主要依靠分子擴散作用混合。相比宏觀條件而言，其混合時間大大延長且混合效果變差。因此，為了提高液體的混合效率，必須采取有效的混合方式來增加流體間的微接觸面積或者增強對流和擴散［9］。

本文設(shè)計了被動式液體混合微流體芯片，借助分散混合和結(jié)構(gòu)設(shè)計提高微觀狀態(tài)下流體的混合效果和效率，有效減少了充分混合所需的時間及通道長度。首先，借助自行研制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)母模的制作，并通過模復(fù)制過程在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料上制作出帶有微結(jié)構(gòu)的混合器芯片［10］;然后，利用微波放電改性實現(xiàn)了上述所設(shè)計的微混合器芯片間的成功鍵合，形成了封閉的通道［11］;最后，對得到的被動式微混合器進(jìn)行性能及功能測試，通過對混合效果的觀察及對比，找出各通道的最優(yōu)參數(shù)和最優(yōu)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，確定了滿足研究要求的“巳型”液體快速混合微流體芯片結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對微量流體的有效快速混合。

1 被動式微混合器芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制備

1.1 芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計

微混合器的通道混合空間尺寸為微米級，整體尺寸較小，其混合過程一般要求非?？焖??？紤]到同時它還可結(jié)合反應(yīng)和分析等功能，因此對其性能的要求遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的宏觀混合器。微混合器芯片的小尺寸使其具有兩大優(yōu)點:一是擁有nL至μL級的試劑消耗量，這對樣品量少、試劑昂貴的生命科學(xué)領(lǐng)域樣品分析具有重大意義;二是微混合器中反應(yīng)迅速，而且安全性好。由于微混合器混合空間體積小，比表面積大，流體擴散距離短，傳熱和傳質(zhì)迅速，流體在短時間內(nèi)就能充分混合，因而能減少反應(yīng)時間，大大提高反應(yīng)產(chǎn)率。

雷諾數(shù)對混合器的混合效果和混合速度起著重要的作用，它是流體流動中慣性力與黏性力之比，定義為

式中:ρ為流體密度;V為流體平均流度;D是微通道的直徑;μ為流體動力學(xué)黏度。當(dāng)雷諾數(shù)過低時，黏性力很大，慣性力很小，混合器不易產(chǎn)生作用，流體不易混合;當(dāng)雷諾數(shù)適中時，黏性力與慣性力的比例恰好可以使混合器較為均勻地混合，但是混合速度較慢;隨著雷諾數(shù)增大，慣性力偏大，在慣性力的作用下，發(fā)生混合的速度明顯加快，但混合效果變得越來越不均勻。對于微混合器芯片而言，其流路通道的尺寸為微米級別，這直接決定了其流路的雷諾數(shù)非常小。

基于微流控系統(tǒng)中流動狀態(tài)的基礎(chǔ)理論，本文根據(jù)微混合器的基本構(gòu)型(T型、Y型、逶迤型、彎道型、折疊型、盤繞型等)，參照微流體流動的基本特性，結(jié)合雷諾數(shù)等微混合器混合效果的影響因素，在前期大量的實驗研究基礎(chǔ)上設(shè)計了以下幾種微混合器結(jié)構(gòu)。

1)基于T型結(jié)構(gòu)的曲折線混合器

通過對通道的彎折，改變流體在微通道中的流動跡線來增強混合，對混合流體的流程進(jìn)行流線彎曲、擠壓和重疊等來加速混合過程，提升混合效果。由此，本文設(shè)計了一種不規(guī)則鋸齒波的簡單T型曲折線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 T型曲折線混合器矢量圖

2)基于Y型結(jié)構(gòu)的圓坑陣列混合器

基于Y型的圓坑陣列混合器的矢量結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩種液流分別從入口1和入口2進(jìn)入混合器，相對流動，在Y型交叉口處匯合進(jìn)入六邊形的混合腔，混合腔內(nèi)有1個三棱柱、1個橢圓柱和10個小圓柱，它們交錯排列。由于小柱的存在，形成數(shù)個不同寬度的通道，以期達(dá)到流體經(jīng)過混合腔時不斷改變流向和流速的目的。

圖2 Y型圓坑陣列混合器矢量圖

3)基于鋸齒波結(jié)構(gòu)的回旋圓形微混合器

對微通道進(jìn)一步優(yōu)化，將通道設(shè)計為鋸齒波狀，并在微通道中加入不規(guī)則的橢圓形通道(如圖3所示)，使混合液體流經(jīng)橢圓形通道時產(chǎn)生回旋作用，擾亂其流向，加速其混合效果。

圖3 鋸齒波回旋圓形混合器矢量圖

1.2 微混合器芯片的加工實驗

1.2.1 材料及設(shè)備

PDMS(Sylgard 184 型，Dow Coming Corp)，Dry-film光刻膠(115T，Taiwan)、顯影液(1%，Na2CO3)、無水乙醇、甲醇、丙酮、DI-Water。數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)，隔膜真空泵(GM-0.5 A)、微波爐(G70F20CN/L-DG(B0)，GalanZ)、真空罩(3.9 L，鮮之寶)、細(xì)鋼針(304，不銹鋼)、數(shù)控超聲波清洗器(KQ-50DB)、夾具、熱板(HP7，德國)。

1.2.2 微混合器芯片的制作技術(shù)

本文借助數(shù)字光刻投影系統(tǒng)進(jìn)行微混合器結(jié)構(gòu)母模的加工制作，整個過程操作簡單，無需價格昂貴的光刻機等儀器，也無需潔凈間等特殊環(huán)境，在普通實驗室就可在3 h內(nèi)完成微流控芯片的設(shè)計與制作。其中，數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)由數(shù)字光處理(DLP)投影儀(Dell-1210S)、可調(diào)焦光學(xué)鏡頭(40 mm，F(xiàn)/2.41～2.55)、數(shù)字顯微鏡(金相測量顯微鏡)和計算機組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)字光刻投影系統(tǒng)工作示意圖［10］

微混合器芯片的具體加工過程如下:

1)母模制備:將貼有dry-film光刻膠的玻片放入投影臺的曝光區(qū)域，將事先設(shè)計好的微結(jié)構(gòu)圖形投影曝光到光刻膠上。通過DLPS能方便地曝光出清晰的微觀圖形，然后經(jīng)過定影、漂洗和加熱堅膜處理，即可獲得帶有微觀結(jié)構(gòu)的母模。得到的母模穩(wěn)定精度最小可以達(dá)到40 μm。

2)PDMS基片制備:將上述過程得到的母模用錫箔紙包圍，將PDMS預(yù)聚合物(PDMS主劑與其固化劑按10∶1的質(zhì)量比配置而成，充分?jǐn)嚢? min，再將其置于真空干燥皿中抽氣15 min去除氣泡，即得到PDMS預(yù)聚合物)灌注到dry-film光刻膠母模上，抽真空15 min后在80℃溫度下加熱1 h，冷卻后得到已固化的PDMS結(jié)構(gòu)。

3)鍵合封裝:用刀片切掉已固化PDMS結(jié)構(gòu)的多余邊緣，再將固化的PDMS結(jié)構(gòu)從光刻膠上剝離下來，然后依次用丙酮、去離子水、甲醇、無水乙醇清洗，用壓縮空氣吹干，放在干凈的載玻片上待用。將處理好的PDMS基片放入微波放電改性裝置中，進(jìn)行改性處理。微波放電改性條件為140 W，5 s。最后將PDMS和處理過的載玻片緊密壓合，設(shè)置熱板加熱時間為0.5 h，溫度為80℃，即可完成鍵合封裝［11］。

2 實驗結(jié)果

2.1 三種基本微混合器構(gòu)型的混合效果分析

本文利用上述加工技術(shù)制作了多種微混合器芯片，并對其混合效果進(jìn)行測試與分析。通過將紅、藍(lán)墨水注入測試芯片，發(fā)現(xiàn)基于T型結(jié)構(gòu)的曲折線混合器中兩流體的顏色在折線通道中經(jīng)過4次轉(zhuǎn)折后發(fā)生了細(xì)微變化，出現(xiàn)淺紫色，但芯片整體呈層流狀態(tài)，混合效果不佳，如圖5所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計的通道參數(shù)，ρ1=ρ2=1 100 kg/m3，μ1=μ2=1.789×10-3kg/(m·s)，中間曲折線寬度s=116 μm，流體在中間回旋直通道的平均流速為V=1.6 cm/s，由式(1)可得Re=1.14。在這種結(jié)構(gòu)的微混合通道中，當(dāng)雷諾數(shù)較低時，混合僅依靠分子擴散來完成。

圖5 T型曲折線混合器動態(tài)測試圖

基于Y型圓坑陣列的混合器在注入紅、藍(lán)墨水進(jìn)行測試后，兩流體匯合進(jìn)入中間點陣混合單元內(nèi)，紅色部分稍顯紫色，但藍(lán)色部分仍清晰可見，混合甚微，流體總體呈現(xiàn)層流，出口部分流體依然清晰分層，未達(dá)到理想的混合效果，如圖6所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計的通道參數(shù)，通道寬度s=300 μm，流體到中間點陣通道的平均流速為V=166.6 μm/s，由式(1)可得 Re=0.031，通道內(nèi)的流動形式為層流，混合效果甚微。因此，可知僅通過單一的改變流體方向來實現(xiàn)液體在微尺寸下的快速混合效果不佳，后面將采用多級模式來改進(jìn)混合效果。

圖6 Y型圓坑陣列混合器動態(tài)測試圖

基于鋸齒波的回旋圓形混合器芯片在注入紅、藍(lán)墨水進(jìn)行測試后，兩液體進(jìn)入第1層混合單元后均勻?qū)恿?，?jīng)過一條鋸齒狀通道后進(jìn)入第2層混合單元，此時的流體不再均勻?qū)恿?，兩液體交接處呈現(xiàn)淺紫色，經(jīng)過兩次混合單元后的流體流入第3層混合單元后紫色稍許加深，混合效果明顯提高，如圖7所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計的通道參數(shù)，鋸齒狀通道寬度s=42.57 μm，流體在該通道的平均流速為V=1.8 cm/s，由式(1)可得Re=0.47。因此，在低雷諾值情況下，兩液體可通過改變流程方向及加長流程的方式來產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，進(jìn)而提高混合效果。

圖7 鋸齒波回旋圓形混合器動態(tài)測試圖

2.2 “巳形”混合器設(shè)計

前面提及的各種混合器各具特色，表1為各混合器混合效果分析對比。

表1 各種混合器混合效果分析對比

通過對比分析混合器效果，綜合之前實驗混合效果比較好的通道結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了符合研究要求的“巳形”結(jié)構(gòu)微混合器，并把長直通道設(shè)計成轉(zhuǎn)折回旋形，這樣不僅增加了通道的有效長度和寬度，還增強了沿通道方向“巳形”回流的影響，如圖8中虛框所示。

圖8 “巳形”混合器矢量圖

圖9展示了“巳形”混合器動態(tài)測試的情況，注入紅、藍(lán)墨水后，兩種流體的分界面很清晰，呈層流流動。之后兩種流體匯合進(jìn)入第1個“巳形”混合單元內(nèi)，流體主要依靠分子間的擴散作用進(jìn)行混合，混合較慢，呈現(xiàn)均分的層流現(xiàn)象。兩流體從“巳形”混合單元流出，經(jīng)過7次轉(zhuǎn)角到達(dá)第1個橢圓混合單元后進(jìn)入第2個“巳形”通道?？梢钥吹?此時流體依然呈分層狀態(tài)，但是第1個混合單元的影響分層交界面出現(xiàn)模糊，呈現(xiàn)出微弱的紫色，流體實現(xiàn)了一定程度的混合。如此迭代，流經(jīng)第3、4個混合單元后，兩流體的混合程度逐漸增強，在出口處的混合單元內(nèi)呈現(xiàn)紫色，兩流體已實現(xiàn)均勻混合。依據(jù)理論分析和所設(shè)計的通道參數(shù)，通道寬度s=106.67 μm，流體在巳形混合單元的平均流速為V=0.9 cm/s，故Re=0.68。由此可知，通道內(nèi)的流動形式以層流為主，但通過流體在通道內(nèi)流動，通道的分支匯合、回旋轉(zhuǎn)折，使流速產(chǎn)生橫向分量，進(jìn)而產(chǎn)生混沌對流，促進(jìn)流體混合，從而實現(xiàn)了較好的液體混合效果。

圖9 “巳形”混合器動態(tài)測試圖

3 結(jié)束語

本文通過對微流控系統(tǒng)中幾種典型參數(shù)及流動狀態(tài)進(jìn)行理論分析和研究，設(shè)計出多種構(gòu)型的微混合器，利用研制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)和微波爐改性方法對這些微混合器進(jìn)行了加工制作，并分別進(jìn)行實驗測試，詳細(xì)分析對比了混合效果，從而優(yōu)化并設(shè)計出符合研究要求的“巳型”混合器結(jié)構(gòu)。設(shè)計的“巳型”混合器結(jié)合回旋腔、彎道以及“巳型”基本構(gòu)型于一體，通道尺寸從數(shù)十到數(shù)百微米級，可以較好地實現(xiàn)兩種液體的快速混合。本文所設(shè)計通道的雷諾值只有0.68。理論上，液體在通道內(nèi)是完全層流狀態(tài)，但通過上述微混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計，不斷改變液體的流向，改變液體間的慣性力，結(jié)合回旋腔促使其形成渦流，最終可以高效地實現(xiàn)兩種不同液體的快速混合，從而實現(xiàn)本文設(shè)計的初衷:在低雷諾數(shù)狀態(tài)下實現(xiàn)微流體的快速混合功能。整個混合器制作成本低、時間短、操作簡單，可作為大多數(shù)普通高校實驗室開展微流體芯片研究的一種參照和借鑒。

［1］ZHANG Yaya，CUI Jianguo.Economical microfluidic processing technology based on PDMS［J］.Hydromechatronics Engineering，2014，42(24):86-92.

［2］KEJUN ZHONG，YIQING GAO，F(xiàn)ENG LI，et al.Fabrication ofPDMS microlensarraybydigitalmaskless grayscale lithography and replica molding technique［J］.Optik，2014，125:2413-2416.

［3］WILHELM E，NEμMANN C，SACHSENHEIMER K，et al.Rapid bonding of polydimethylsiloxane to stereolithographically manufactured epoxy components using a photo generated intermediary layer［J］.Lab Chip，2013，13:2268-2271.

［4］方肇倫.微流控分析芯片［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［5］韓克江.被動式微混合器混合特性的數(shù)值模擬［D］.濟南:山東大學(xué)，2008.

［6］張平，胡亮紅，劉永順.主輔通道型微混合器的設(shè)計與制作［J］.光學(xué)精密工程，2010(4):872-879.

［7］李勇，王欣欣，王瑞金.影響微流體混合的因素及微混合器［J］.新技術(shù)新工藝，2008(7):40-45.

［8］馬秀峰.微混合器混合效果的研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2011.

［9］何秀華，鄧許連，畢雨時，等.壓電無閥微混合器的數(shù)值模擬［J］.排灌機械工程學(xué)報，2011(4):292-296.

［10］張雅雅，崔建國.基于數(shù)字光刻投影系統(tǒng)的快速微加工技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2015，36(3):448-453.

［11］張雅雅，崔建國.基于微波放電法的 PDMS材料表面改性［J］.表面技術(shù)，2015，44(9):78-83.