基于虚拟仪器的电渗流检测系统的设计*

杨大勇，刘 莹

(1.南昌大学环境与化学工程学院，江西南昌330031;2.南昌大学机电工程学院，江西南昌330031)

0 引言

电渗流(electroosmotic flow，EOF)是指微通道内带电表面在外加垂直电场作用下，液相相对于静止不动的带电表面运动的现象［1］。由于EOF具有操作与控制方式简单、流型呈扁平状可降低和消除液体驱动过程中的分散效应等优点，是微流控芯片分析系统中研究和使用最广的驱动和控制技术［2，3］。为了提高微流控芯片的分析精度，需要精确地控制芯片中样品溶液的体积，因而，需要对EOF速度进行分析和测量。

目前，测定EOF速度的方法主要有称重法［4］、中性标记法［5，6］、电流监测法［7，8］、样品区带法［9］和流动电势法［10］等。称重法由于误差较大，一般不用;中性标记法采用微小的示踪粒子的运动情况来推断液流速度，该方法直观，但要考虑到布朗运动的影响、粒子间的亲和力以及粒子和通道壁的作用力，操作复杂;电流监测法原理简单，实验操作方便，是EOF测定中最常用的一种方法［11］;其他方法实验条件要求均相对较高，一般实验室条件难以实现［4］。

虚拟仪器是随着计算机、通信及测量技术发展起来的一门新技术。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步成为数字测试仪器的主流［12］。本文介绍的微通道EOF检测系统即基于电流监测法(current-monitoring method)原理，采用虚拟仪器技术将微通道内的电流信号通过数据采集卡等硬件直接导入计算机，完成EOF的测量。

1 系统的总体结构

1.1 电流监测法原理

当微通道内充满一种浓度的电解质溶液时，其电导率保持稳定，在外加一定电场的情况下，电解质溶液会在微通道内部形成定向EOF流动，但是微通道内部的电流保持不变。此时，在微通道一端注入另外一种浓度的电解质溶液置换前一种溶液，由于溶液电导率的变化，使得通道内部的电流逐渐发生变化。当后一种溶液完全替代前一种溶液时，电流重新保持不变。通过监测和记录在此期间电流变化所需要的时间，即可根据微通道的长度计算出微通道内部EOF的平均速度。

1.2 硬件组成

由于微通道尺度较小，通道内部溶液的电流大小一般在微安量级，为了得到较为准确的电流变化过程，本文在通道外部串联精密电阻器，通过记录电阻器两端的电压变化过程，即可监测出微通道内溶液的流动过程。

监测系统硬件部分由电源回路系统和数据采集系统两部分构成，如图1所示，图中，R1和R2分别为微通道两端的缓冲液池和废液池，R为精密电阻器。

图1 电流监测法测量EOF示意图Fig 1 Schematic diagram of EOF measurement using the current-monitoring method

电源回路系统主要包括微通道芯片、直流高压电源、铂丝电极、电极槽、导线和电解质溶液等。微通道芯片由大连理工大学微系统研究中心制作完成，芯片材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，微通道截面形状呈梯形，微通道长为40 mm，截面深为40.9μm，上宽79.9μm，下宽65.4μm。高压直流电源 DW—QP502—1ACE5，输出电压 0～5 000 VDC 连续可调，输出电流最大1 mA，可以同时完成4个回路的驱动与控制，并且每个回路均单独可控;铂丝电极直径1 mm，长10 cm;微通道两端的缓冲液池和废液池用一次性注射器塑料针管制成，导线是电源厂商配备的专用耐高压导线，中间不带任何接头，与铂丝电极连接处用锡丝焊牢。

数据采集系统由基于LabVIEW软件的虚拟仪器和数据采集卡构成，使用前首先通过编写驱动程序调用数据采集卡的接口通道，然后，在LabVIEW软件中编写数据采集和保存程序。

1.3 软件设计

本文的EOF检测系统功能主要包括数据采集、显示、保存及采样周期的设置等，其工作流程图如图2所示，采用LabVIEW软件开发人—机界面。

2 检测系统的应用

根据试验需要，配制不同浓度的NaCl电解质溶液。在缓冲液池 R1，废液池 R2和微通道中充满一定浓度如10 mmol/L的NaCl溶液，待回路电流稳定后，用绝缘微量注射器将 R1，池缓冲液换为高离子强度 NaCl溶液(20 mmol/L)，微通道电流逐渐变大，直至高离子强度缓冲液完全充满整个微通道，电流再次保持稳定，这一电流达到平稳期所需要的时间即是20 mmol/L NaCl溶液在分离通道电渗所用时间(即电流上升时间);再将R1池中的高离子强度缓冲液换为低离子强度10 mmol/L的NaCl溶液，继续记录电流—时间曲线，得到10 mmol/L的NaCl溶液在EOF驱动下由R1池开始充满整个微通道所需的时间(即电流下降时间);如此重复3次，分别求出电流上升和下降时间的平均值为高浓度和低浓度溶液的电渗迁移时间t，按式(1)，式(2)分别计算不同浓度溶液的EOF速度和淌度为

图2 程序流程图Fig 2 Flow chart of program

式中 uEOF为电渗流EOF速度，mm/s;L为微通道长度，cm;t为电渗迁移时间，s;μEOF为电渗流EOF淌度，cm2/(V·s);E为微通道电场强度，V/cm;Φ为通道两端外加电压，V。

根据以上方法，依次测量电场强度分别为200，300，400，500，600，700 V/cm 等不同条件时，微通道内溶液的流动过程，部分数据如图3所示。

图3 微通道芯片EOF测量数据Fig 3 EOF measurement data on microfluidic chip

图3所示为10 mmol/L浓度NaCl溶液置换1 mmol/L浓度溶液的变化过程，图3(a)中电场强度E=200 V/cm，电压变化时间t=35 s;图3(b)中E=300 V/cm，t=24 s。根据全部实验数据进行计算，结果见表1。根据表1，容易得出微通道芯片EOF速度—电场强度关系曲线，如图4所示。

图4 微通道EOF速度—电场强度曲线Fig 4 Curve of velocity-electrical field strength in microchannel of EOF

由图4可以看出:当电场强度较大时，EOF过渡曲线较为陡峭，所需时间较短。由图4可以发现，EOF速度与外加电场强度成线性关系，电场强度增大，速度成比例增大;另外，EOF淌度与外加电场强度基本无关，见表1。表明表面zeta电势与电场强度无关，仅是当电场强度较大时，zeta电势会稍微增大。该结果与文献［7］的理论分析和实验结果完全一致，说明本文设计的检测系统能够满足微通道内EOF检测的需求。

表1 光滑表面芯片EOF电场强度数据Tab 1 Data of electrical field strength of EOF on smooth surface microfluidic chips

3 结论

基于电流监测法原理，采用虚拟仪器技术将微通道内的电流变化信号通过精密电阻转换为电压信号，通过数据采集卡等硬件将其直接导入计算机，设计完成了基于虚拟仪器的微通道EOF检测系统。通过微通道芯片EOF的测定实验，证明了该监测系统可以满足实际应用的需求。

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