玻璃-PDMS微流控芯片的電滲性能研究

崔麗佳，王升高，張　維，皮曉強(qiáng)，劉星星，陳　睿（武漢工程大學(xué) 湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430074）

玻璃-PDMS微流控芯片的電滲性能研究

崔麗佳，王升高，張維，皮曉強(qiáng)，劉星星，陳睿
（武漢工程大學(xué) 湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074）

以玻璃為基片的微流控芯片在制造上存在工藝復(fù)雜、加工周期長、成本高等問題。實(shí)驗(yàn)以載玻片和PDMS為原材料，采用濕法刻蝕和澆筑的方法在玻璃和PDMS上制備出較佳結(jié)構(gòu)的微溝道，并分別與PDMS和玻璃不可逆封接，獲得了玻璃-PDMS（溝道在玻璃上，A.玻璃-PDMS）、玻璃-PDMS（溝道在PDMS上，B.玻璃-PDMS）兩種芯片。對A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS兩種芯片進(jìn)行了伏安特性研究，得出芯片的線性伏安特性的最高電壓分別為1 990 V、1 050 V，此時所對應(yīng)的場強(qiáng)分別為499 V·cm-1、263 V·cm-1。利用電流監(jiān)測對芯片的電滲性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電滲流速度隨緩沖溶液pH值的升高而增大，表面活性劑SDS的添加能顯著提高電滲速度的大小和穩(wěn)定性。

電滲；微流控芯片；PDMS

0　引言

微流控芯片是21世紀(jì)最為重要的前沿技術(shù)之一［1］。自誕生以來，微流控芯片技術(shù)發(fā)展迅速，使人類基因組計(jì)劃提前完成，這充分顯示了微流控芯片技術(shù)的巨大應(yīng)用價值。在微流控芯片的發(fā)展初期，成熟的半導(dǎo)體技術(shù)使得玻璃和硅材料成為構(gòu)建微流體芯片的首選材料［2］，但是隨著研究的不斷深入，表現(xiàn)出了不同程度的局限性，硅材料屬于半導(dǎo)體，強(qiáng)度和散熱性好，但絕緣性和透光性較其他材料差，不能承受高壓，與光學(xué)檢測技術(shù)不兼容，且不耐酸堿、易碎、深度刻蝕困難；玻璃材料無論是從物理性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)，都適合于微流控芯片的制作，這是因?yàn)椴Ａв幸欢ǖ膹?qiáng)度和良好的散熱性，透光性和絕緣性也較好。使用光刻和蝕刻技術(shù)可以將微通道網(wǎng)絡(luò)刻在玻璃和石英上，并且玻璃芯片的線性伏安特性的最高電壓可達(dá)1 100 V，此時場強(qiáng)約為1 294 V/cm［3］。但存在制作工藝復(fù)雜、深度刻蝕困難、鍵合溫度高和鍵合成品率低等缺點(diǎn)。因此，研究者把更多的注意力轉(zhuǎn)向了原材料便宜、加工制作簡單的高分子聚合物。在微流控芯片的研究設(shè)計(jì)中，電滲流是由芯片微通道和電解液界面的雙電層引起的液體流動，對小尺寸流動意義重大［4-7］。通過改變電解液的組成，可以有效的控制電滲流的大小，提高電滲流驅(qū)動工作效率［8］。

實(shí)驗(yàn)采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）與玻璃制作芯片，在一定程度上使工藝流程更為簡潔，對A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS兩種芯片的進(jìn)行了伏安特性研究，并利用電流監(jiān)測對芯片的電滲性能進(jìn)行分析，具體討論了表面活性劑SDS和緩沖溶液pH值對電滲流速度影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料為四甲基氫氧化胺，氫氟酸、硝酸、氨水、鹽酸、硝酸鈰胺、高氯酸、濃硫酸、無水乙醇、丙酮、碘化鉀、碘單質(zhì)均為分析純。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有磁控濺射鍍膜機(jī)（JCP-200），光刻機(jī)（URE-2000/17），高密度等離子體刻蝕機(jī)（ICP-98A）。

1.2溝道的制備

玻璃溝道采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和濕法刻蝕技術(shù)在25.4 mm×76.2 mm（厚為0.8～1.0 mm）玻璃基片上加工［9-10］，PDMS溝道用光刻和蝕刻的方法先制出通道部位突起的硅陽模，在陽模上澆注液態(tài)的PDMS單體，通過加熱固化，工藝過程如圖1所示。

圖1　PDMS溝道制作工藝流程圖

1.3芯片封接

分別將處理后的PDMS基片與玻璃蓋片，處理過的玻璃基片與PDMS蓋片對貼，施加合適的壓力，放置20～30 min后兩基片牢固地結(jié)合在一起，即可實(shí)現(xiàn)永久封接，得到A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS兩種芯片。

1.4芯片的伏安特性研究

圖2　電滲流測試裝置示意圖

2　結(jié)果與分析

2.1微流控芯片結(jié)構(gòu)的選擇

按照歐姆定律，微流控芯片中的緩沖液成分恒定且芯片的結(jié)構(gòu)一定時，通過芯片的電流與外加電壓是呈現(xiàn)線性關(guān)系，即芯片的伏安特性表現(xiàn)為線性。但是隨著電壓的升高，產(chǎn)生的焦耳熱增多，達(dá)到一定的限度后系統(tǒng)不能及時有效的發(fā)散焦耳熱，芯片的伏安特性偏離線性，系統(tǒng)的分離效果降低。因此研究芯片的伏安特性對芯片設(shè)計(jì)以及外加電壓的選擇有重要的指導(dǎo)意義［11］。

對自制的兩種芯片進(jìn)行了伏安特性研究，溝道尺寸相同時，得出圖3所示結(jié)果，（a）A.玻璃-PDMS芯片；（b）B.玻璃-PDMS芯片緩沖液為20 mol·L-1的KH2PO4溶液。B.玻璃-PDMS芯片的線性伏安特性的最高電壓為1 050 V，此時的場強(qiáng)約為263 V·cm-1，如圖3（a）所示；A.玻璃-PDMS芯片的線性伏安特性最高電壓為1 990 V，此時的場強(qiáng)約為499 V·cm-1，如圖3（b）所示。同樣溝道幾何尺寸的兩種芯片的線性伏安特性區(qū)域不同，這與兩種材料的散熱情況有很大關(guān)系。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)（1.4 W/m·K）遠(yuǎn)大于PDMS（0.18 W/m·K），因此其散熱效果好，可施加的分離電壓也就高。由于A.玻璃-PDMS芯片的線性伏安特性的最高電壓最大，線性伏安特性區(qū)域最寬，因此焦耳熱對電滲、電泳分離的影響最小，在以后的實(shí)驗(yàn)中都選擇A.玻璃-PDMS芯片。

圖3　兩種芯片的伏安特性曲線圖

2.2不同種類緩沖溶液的電滲流

圖4為醋酸鈉的電滲圖，緩沖溶液pH5，電壓為1 200 V，電場強(qiáng)度約為300 V·cm-1，電滲速度為0.102 6 cm·s-1；圖5為磷酸二氫鈉的電滲圖，緩沖溶液pH7，電壓為1 200 V，電場強(qiáng)度約為300 V·cm-1。電滲速度為0.148 1 cm·s-1；圖6為硼酸鈉的電滲圖，緩沖溶液pH8.5，電壓為1 200 V，電場強(qiáng)度約為300 V·cm-1，電滲速度為0.173 9 cm·s-1；圖7為Tirs的電滲圖，緩沖溶液pH10，電壓為1 200 V，電場強(qiáng)度約為300 V·cm-1，電滲速度為0.190 5 cm·s-1。種類不同的緩沖液，通過溶液的pH值影響電滲流速度，研究中所用到的緩沖液pH值從低到高的順序?yàn)椋捍姿徕c＜磷酸二氫鈉＜硼酸鈉＜Tris。在微流控芯片電驅(qū)動中，流動相pH值通過影響基片表面硅羥基Si-OH的解離而對電滲流產(chǎn)生影響。pH值越高，硅羥基的解離越充分，負(fù)電荷密度越大，zeta勢也越大，導(dǎo)致電滲流速度也越大。

圖4　醋酸鈉的電滲曲線圖

圖5　磷酸二氫鉀的電滲曲線圖

圖6　硼酸鈉的電滲曲線圖

圖7　Tris的電滲曲線圖

當(dāng)pH值大于9時，表面硅羥基完全離解，電滲流速度將幾乎不變。在低pH值時，固定相硅羥基的離解較少，表面電荷密度下降，zeta勢減小，使得電滲流速度也減小。圖8為電滲速度與pH值的關(guān)系圖，可以看出隨緩沖溶液pH值的增大，電滲速度增大。

圖8　電滲速度與pH值的關(guān)系曲線圖

2.3表面活性劑對電滲流速度的影響

圖9為表面活性劑（SDS）對電滲流速度的影響圖，（a）緩沖溶液中SDS濃度為0.25 mM；（b）緩沖液中不含SDS，電壓為1 200 V，電場強(qiáng)度約為300 V·cm-1，在緩沖液磷酸二氫鉀pH7中加入添加劑，如中性鹽、兩性離子等表面活性劑以及有機(jī)溶劑會引起EOF的顯著變化。中性鹽可使雙電層變薄，有機(jī)溶劑可增加溶液黏度，均可導(dǎo)致電滲流的減小，但只能抑制電滲而不能改變方向，兩性離子可使管壁負(fù)電荷增加，從而縮短遷移時間而不產(chǎn)生較大電流，表面活性劑則能顯著改變玻璃-PDMS芯片內(nèi)壁特性，控制zeta電勢的大小、符號。從圖9（a）可以看出，緩沖溶液中加一定濃度的表面活性劑SDS能顯著提高電滲流的大小，且電滲流能在更短的時間趨于穩(wěn)定。十二烷基硫酸鈉（SDS）可以使壁表面負(fù)電荷增加，zeta電勢增大，電滲流速度增大。

圖9　表面活性劑（SDS）對電滲流速度的影響曲線圖

3　結(jié)論

比較了兩種芯片工作時的伏安曲線，得出了玻璃-PDMS（溝道在玻璃上）、玻璃-PDMS（溝道PDMS上）芯片的線性伏安最高電壓分別為：1 990 V、1 050 V，此時所對應(yīng)的場強(qiáng)分別為499 V·cm-1、263 V·cm-1。

對同一玻璃-PDMS芯片而言，不同種類的緩沖溶液的電滲流速度不同，隨緩沖溶液pH值的升高，電滲速度增大；在緩沖溶液中加一定濃度的表面活性劑SDS能顯著提高電滲速度的大小和穩(wěn)定性。

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RESEARCH ON THE ELECTRO-OSMOSISPERFORMANCEOF GLASS/PDMSM ICROFLUIDIC CHIPS

CUILi-jia，WANG Sheng-gao，ZHANGWei，PIXiao-qiang，LIU Xing-xing，CHEN Rui
（Provincial Key Laboratory of Plasma Chem istry and Advanced M aterialsof HubeiProvince，W uhan Institute of Technology，W uhan430074，China）

Manufacturing ofm icrofluidic chip based on glass hasmany problems like complex craft，long-term processing cycle and high cost.This experiment improves these problemsw ith glass and PDMSas raw materials，makeswellstructuredmicro-channels on the glassand PDMS in theway ofwet corrosion，and obtains two chips by irreversible sealing.In the research，glass/PDMS chip（channel in the glass）and glass/PDMS chip（channel in PDMS）aremade and studied their volt-ampere characteristics.It is concluded that the highest voltage of the chip linear volt-ampere characteristics are 1 990 V，1 050 V，respectively，in accordancew ith the field strength of 499 V·cm-1and 263 V·cm-1.The electro-osmosis propertiesofm icrofluidic chipsare analyzed by themethod of currentmonitoring，whereby it is found that the electric seepage velocity growsw ith the increase of buffer solution pH and adding surfactant SDS can dramatically raise the velocity and stability of theelectro-osmotic.

electroosmosis；m icrofluidic chips；PDMS

TB321

A

1006-7086（2016）04-0201-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.004

2016-03-21

國家自然科學(xué)基金（No.51272187、No.51442003）、湖北省自然科學(xué)基金（No.2013CFA012、No.2015CFB229）和湖北省科技廳（No.2015BAA093）

崔麗佳（1992-），男，湖北荊州公安人，碩士，從事電化學(xué)研究。E-mail：cuilijia1992@qq.com。