非對(duì)稱交流電滲驅(qū)動(dòng)微流體技術(shù)的研究

李岸

摘 要：微流體驅(qū)動(dòng)與精確控制是微流控芯片系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。本項(xiàng)目開展了非對(duì)稱交流電滲驅(qū)動(dòng)水溶液的研究。設(shè)計(jì)加工了以石英玻璃為襯底，金做非對(duì)稱微電極材料的微電極芯片。選擇了聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制備微通道。研究了非對(duì)稱交流電滲驅(qū)動(dòng)，分別探究了電極尺寸，電導(dǎo)率，交流電頻率以及電壓對(duì)水溶液交流電滲驅(qū)動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)成果為微流體的精確驅(qū)動(dòng)與控制提供了研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞：交流電滲；微流體；非對(duì)稱交流電極排列

中圖分類號(hào)：TG39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0254-03

自20世紀(jì)70年代微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)取得重大突破以來，微流控系統(tǒng)的相關(guān)研究就受到了科技界的密切關(guān)注。微流控系統(tǒng)是一項(xiàng)主要研究化學(xué)和生物的高新技術(shù)。通過對(duì)系統(tǒng)中微通道內(nèi)流體的操控，微流控系統(tǒng)可以在芯片中完成包括采取樣本、反應(yīng)或分離樣品，分析檢測(cè)物質(zhì)在內(nèi)的多種功能。輔以類如微泵、微閥等微流體控制的實(shí)驗(yàn)器件。微流控芯片系統(tǒng)有著廣泛的適用性和極高的工業(yè)自動(dòng)化潛力。

發(fā)展成熟的驅(qū)動(dòng)與控制微流體技術(shù)，一直是微流控系統(tǒng)中一項(xiàng)極為關(guān)鍵的技術(shù)難題。微體控系統(tǒng)中的器件特征尺寸小于1mm，而微流控系統(tǒng)要求微通道內(nèi)的微流體要得到精確控制。微流體的驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為芯片實(shí)驗(yàn)室研究的重要分支之一。

隨著微流控技術(shù)的迅速發(fā)展，流體力學(xué)界發(fā)展出了多種驅(qū)動(dòng)微流體的方法，其中最常見的有微泵驅(qū)動(dòng)，即壓力驅(qū)動(dòng)法，和電滲驅(qū)動(dòng)。雖然歷經(jīng)多年的發(fā)展，微泵驅(qū)動(dòng)的方法卓有成效，一些集成流量傳感器的做法已經(jīng)可以做到一定程度上對(duì)微流體的精確控制，但微機(jī)械泵中所包含的可動(dòng)微型部件仍然存在制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴的問題10。而基于電場(chǎng)機(jī)制操作微流體可以達(dá)到低耗、高效、易于集成的特點(diǎn)。因此，流體力學(xué)界近年開始著重關(guān)注基于電場(chǎng)機(jī)制操縱微流體的方法。

基于電場(chǎng)機(jī)制操縱微流體主要分為兩類，即直流電滲驅(qū)動(dòng)（Direct Current Electroosmosis，DCEO）與交流電滲驅(qū)動(dòng)（Alternating Current Electroosmosis，ACEO）。自上世紀(jì)末開始，對(duì)于交流電滲的研究數(shù)量持續(xù)增加，引起了廣泛關(guān)注。交流電滲驅(qū)動(dòng)的微流體流動(dòng)穩(wěn)定、流線平直、不易發(fā)生電解反應(yīng)、驅(qū)動(dòng)電壓小（通常是幾伏）、不易產(chǎn)生氣泡、容易集成到芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中。相比之下，以直流電滲驅(qū)動(dòng)則很多時(shí)候需要高至千伏高壓，溶液也更容易發(fā)生電解反應(yīng)、產(chǎn)生大量電熱和氣泡，這些特征影響了微流體流動(dòng)的穩(wěn)定性。且由于電壓很大，直流電滲驅(qū)動(dòng)有一定的安全隱患，因此其適用范圍受到了一定的限制。綜合來看，在微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，交流電滲驅(qū)動(dòng)微流體相比直流電滲更具優(yōu)勢(shì)，被研究者更加關(guān)注。目前在低頻條件下驅(qū)動(dòng)低電導(dǎo)率流體，交流電滲已經(jīng)是主要驅(qū)動(dòng)方式。

交流電滲現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1998年，西班牙科學(xué)家A.Romas等在實(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，由此學(xué)術(shù)界開始了對(duì)交流電滲微流體驅(qū)動(dòng)的研究?？梢钥吹降氖?，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)往后針對(duì)交流電滲的研究越來越多，僅僅7年時(shí)間內(nèi)針對(duì)三大交流電滲流速的公式就被給出。A.Romas本人在1999年提出了經(jīng)典交流電滲流流速公式19，劍橋大學(xué)A.B.D Brown在2000年提出了非對(duì)稱經(jīng)典交流電滲流流速公式，以及2005年瑞士邦聯(lián)工學(xué)院的Brian P.Cahill等人給出了行波交流電滲流的流速公式。在2008年韓國科學(xué)家Sangmo Kang和Suh提出了三電層模型。Sangmo又在2009年把電極表面粗糙度考慮到影響因素中，由此修正了電滲流速的部分理論。2010年中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的姜洪源，李珊珊等人探究了交流電滲的流速，會(huì)受到非對(duì)稱電極表面微觀形貌的影響，并由此再次修正了部分理論。在理論探究之外，SchaSfoort等人1999年在Science期刊上發(fā)表的論文中，提出了一種“流體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FlowFET）”。該流體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的功能與微電子中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管相似，有能力通過電滲驅(qū)動(dòng)切換并控制微流體在微通道中的流動(dòng)。這種控制主要是通過施加電勢(shì)差來實(shí)現(xiàn)的。

本課題研究的目的是在分析國內(nèi)外交流電滲驅(qū)動(dòng)微流體研究的基礎(chǔ)上，以非對(duì)稱電極為研究對(duì)象，對(duì)影響非對(duì)稱電極驅(qū)動(dòng)交流電滲的主要因素進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跒榉菍?duì)稱交流電滲技術(shù)在微流體驅(qū)動(dòng)和控制方面的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 芯片設(shè)計(jì)加工

芯片設(shè)計(jì)如圖1所示，由中國科學(xué)院高能物理研究所加工。芯片選用石英玻璃作為襯底材料，以金做為電極材料以保證導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)選擇了PDMS，即聚二甲基硅氧烷（Dow Corning Sylgard-184，美國）材料制備高度500μm，寬度800μm的微通道，并用環(huán)氧樹脂粘連微通道與微電極芯片以形成完整的交流電滲驅(qū)動(dòng)芯片。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用水溶液進(jìn)行交流電滲驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在水溶液中添加了KCl來調(diào)節(jié)電導(dǎo)率，水溶液電導(dǎo)率由電導(dǎo)率儀（DDSJ-308F，上海雷磁公司）測(cè)量，添加直徑為1微米的聚苯乙烯小球（7-3-0100，天津市倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心）作為示蹤粒子。實(shí)驗(yàn)將溶液注入交流電滲驅(qū)動(dòng)芯片微通道內(nèi)，使用信號(hào)發(fā)生器（TGA1244，TTi公司，英國）在微電極上施加正弦交流信號(hào)，使用顯微鏡（XSP-22AY，上海光學(xué)儀器六廠）來觀察微流體運(yùn)動(dòng)情況。將粒子運(yùn)動(dòng)情況記錄為視頻，然后將視頻轉(zhuǎn)化為圖片，處理粒子運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；選擇了大電極外側(cè)30μm以內(nèi)區(qū)域內(nèi)的粒子來測(cè)量流體速度，實(shí)驗(yàn)所用CCD為25幀/秒。

2 結(jié)果與討論

圖2為交流電滲驅(qū)動(dòng)流體示意圖，由圖中可以清楚看到施加交流電壓后，紅圈處粒子明顯運(yùn)動(dòng)。圖3顯示了不同尺寸下交流電滲驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。尺寸1中微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時(shí)達(dá)到峰值3.889±1.179μm/s；尺寸2中微流體的流速在交流電頻率為900Hz時(shí)達(dá)到峰值3.778±1.069μm/s；尺寸3中微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時(shí)達(dá)到峰值3.556±1.152μm/s。對(duì)比可知，交流電滲驅(qū)動(dòng)水溶液的流速在尺寸1中最快，但是尺寸比例對(duì)交流電滲驅(qū)動(dòng)速率的影響并不顯著。

圖4與圖3（a）顯示了不同電導(dǎo)率下交流電滲驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。導(dǎo)電率為6.0μs/cm條件下，微流體的流速在交流電頻率為300Hz時(shí)達(dá)到峰值5.222±1.217μm/s；導(dǎo)電率為10.04μs/cm條件下（即圖3（a）），微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時(shí)達(dá)到峰值3.889±1.179μm/s；導(dǎo)電率為20.3μs/cm條件下，微流體的流速在交流電頻率為500Hz時(shí)達(dá)到峰值4.000±0.824μm/s。對(duì)比可知，交流電滲驅(qū)動(dòng)水溶液在導(dǎo)電率為6.0μs/cm條件下流速最快。

圖5顯示了以電壓為變量交流電滲驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。微流體流速在交流電電壓為5V時(shí)達(dá)到峰值3.222±1.138 μm/s。觀察圖像可知，交流電滲驅(qū)動(dòng)水溶液流速隨著電壓增長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)。

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