电渗微泵的生理溶液渗透特性研究*

纪夏夏,沈丹丹,谭秋林,*,刘文怡,李 超,罗 涛,周兆英

(1.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



电渗微泵的生理溶液渗透特性研究*

纪夏夏2,3,沈丹丹2,3,谭秋林1,2,3*,刘文怡2,3,李 超2,3,罗 涛2,3,周兆英1

(1.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

介绍了一种电渗微泵的结构及其驱动原理,研究了其对不同生理溶液的渗透特性。模拟眼内房水引流装置,利用电渗微泵对三种生理溶液进行测试,通过改变电压,测试定量体积的溶液,记录时间得出相应流速,用Origin Proporable软件对数据拟合得出压电流速曲线,结果表明电压对液体流动速度的影响成正比。人眼可承受最大5 V电压,此时该测试微泵传输液体流量每分钟可达到十几微升,通过分析5 V以内微泵对溶液的渗透性能,结合正常眼内房水引流速度,确定合理的驱动电压设计值,这将对未来制作实际可用的房水引流装置和器件产生指导意义。

微泵;电渗流;流体测试;渗透特性

微机电系统(MEMS)中的生物芯片和芯片实验室技术因其微型化,集成化的特点成为目前公认的最具发展潜力的研究领域[1]。微流控系统作为芯片实验室中的一个主要组成部分在现阶段发展的微全分析系统中有着及其重要的应用,该系统主要是在微流控芯片上的微米尺度空间内对微流体实现可控操作,目前在生物、医药、化学等科学研究中均有重要应用[2-3]。当前在微流控系统中液体的驱动方式是一个关键问题,由于系统中的尺度效应,忽略液体的重力,电场力成为液体流动的主导驱动力[4]。微泵是驱动液体流动的重要执行器件,按照微泵中微流体驱动控制的原理可分为压力驱动、水电力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动等类型,其中电渗驱动的微泵具有输出压强高、流量可调范围广、无需可移动机械部件、噪声低、运行可靠、使用寿命长等特点[5-7]。

本文所测试的电渗微泵体积较小,功耗低,首先介绍了微泵的驱动原理及微泵的电渗驱动方程,然后分析了其结构设计及各部分组成,针对之后所要制作的生物微引流装置,考虑电压范围及最佳流速等各方面要求,搭建实验平台,在相应条件内对微泵进行不同的生理溶液渗透特性测试,通过测试电压—流速特性曲线,确定微泵在不同电压下对不同生理溶液渗透流速的影响,为实际可用房水引流装置的制作提供指导。

1 工作原理

1.1 电渗原理

电渗泵是基于电渗原理,常用作微通道的硅、玻璃和高分子聚合物等材料与电解质溶液(存在自由运动的离子)接触时,固体表面发生水解被极化,形成硅烷醇表面基团。壁面电荷吸引溶液中的异性离子,排斥同性离子。这导致液/固界面附近溶液正负离子数量之差,形成带净电荷的液体薄层(双电层),带电液体相对于壁面作切向的整体流动为电渗流,主要用来驱动和控制微通道极性液体流动[8-10],图1为电渗泵原理示意图。

图1 电渗泵原理图

在双电层中,紧密层和扩散层之间的特征厚度用德拜厚度表示,

(1)

式中,εr和ε0分别是工作流体和真空的介电常数,kB是Boltzmann常数,T为绝对温度,e=1.602 18×1019C代表一个质子的电荷。由于双电层内部存在着极强的静电力,当双电层厚度与流场尺度在同一数量级时,就会导致流动形态发生变化。对通道截面处的速度进行积分,得到电渗泵矩形通道的流率:

(2)

式中,Ex是外加电场,μ是电解质粘性,dP/dx是沿着流体流动方向的压力梯度。h′是无量纲的半槽道高度,定义为:

h′=h/λD

(3)

f(h′)是考虑到有限双电层效应的一个校正因子[11-13]。f(h′)定义:

f(h′)=1-tan(h′)/h′

(4)

对于零背压的情况,流率达到最大值Qmax:

(5)

但实际微泵并不处于零背压状态,而是处在一个大气压的情况下。

1.2 微泵结构

该电渗微泵主要分为三部分,一部分是正负电极,该微泵只能通直流电压,另一部分为电渗微通道,剩下的部分为入口处和出口处,微泵结构如图2所示。

图2 微泵结构图

通过为微泵提供电压,带电离子带动周边溶液作定向移动,使液体得以传输。由于传输溶液过程中需要避免气泡的产生,所以采用钯作为正负电极,主要利用钯可以吸收氢气的特性,使得电极对产生的一些气泡进行吸收。

通过理论分析,结合泵体实际参数,因流体溶液的介电常数不同及真空的介电常数两个因素,对不同溶液的理论分析,在微泵可承受最大15 V电压内,零背压情况下,经过理论计算泵的流速最大值Qmax为150 μL/min,因考虑泵体实际可承受最大背压为70 kPa,所以泵的流速最小值Qmin为10 μL/min,即微泵理论计算流速在10 μL/min～150 μL/min范围内。

2 实验测试

本实验主要验证在不同环境下微泵的溶液渗透特性,建立实验平台,主要包括:微泵、电源、烧杯、量筒、普通水、浓度为5%的葡萄糖溶液及0.9%的生理盐水等。

图3为搭建的实验平台。利用OM-20控制器为微泵提供在0～15 V范围内的七个电压,分别为2 V、4 V、6 V、8 V、10 V、12 V、14 V的直流电,测试0.2 mL定量体积的三种生理溶液进行,记录下每种溶液在不同电压下传输完成的时间,为避免测试过程中的不定误差,每个电压测试三次数据计算平均流速。

图3 测试实验平台

图4表示在不同电压下测试数据的柱形图,说明了在七个电压下,从低电压2 V到高电压14 V测试三种溶液的流速值,各测试三次取平均避免因外界条件影响而产生的误差,估计可影响的因素包括压力、温度等。

取图4中各电压下的平均流速,采用通用的数据处理软件Origin Proporable将数据进行拟合,如图5中所示。显示了三种生理溶液分别在不同驱动电压下与流速变化的关系。从图中可知,电压在5 V左右时,水、葡萄糖溶液及NaCl溶液可达到最大流速分别约为8 μL/min、13 μL/min、4 μL/min。

通过实验,我们可以得出:随着电压的增加,电渗泵的流速不断增加;流速与电压并不是线性关系,而是一个非线性函数关系;泵送三种液体的流速不同,在相同电压下依次为葡萄糖>水>生理盐水;电压越小,泵送三种液体的流速差异越小;从项目要求的指标看(电压≤5 V,流量在几微升到十几微升/每分钟),由于对人体可承受最大5 V电压范围内,此电渗泵满足眼压控制装置的设计。

由于以上三种溶液的成份、浓度及PH值各不相同,生理盐水在通电的情况下容易被电解,电解过程中会产生大量氯气和氢气气泡,由于氯化钠浓度比较低,氯气直接溶解在水中,则氢气泡直接影响了微泵对该溶液的传输速度,因而在同一电压下,生理盐水的流速最小。通过之前对电渗泵原理的分析,电渗泵流速的大小与电解质的粘性有关,葡萄糖溶液的粘性则较高于水,因而在同一电压下,电渗泵对葡萄糖溶液的流速最大,则出现以上趋势。

图4 7个电压下的流速数据图

图5 三种溶液不同电压下平均流速的曲线对比图

3 结论

本文介绍了一种电渗原理的微型无阀微泵,通过利用该泵对溶液的流速测试确定其是否满足制作房水引流装置的条件。通过测试结果,可以看出该微泵对不同的生理性溶液的流速随着电压的升高虽不呈线性关系,但也随着电压的升高,流速也随之增加,因此可以通过调节驱动电压值来实现不同引流速度的控制。

在不高于5 V的条件范围内可达到几微升到十几微升/每分钟,既符合人体机能的要求,也满足眼内房水引流装置对生理溶液的渗透流速条件,且不同的测试结果均与微泵的理论分析数据相符。因此可引用该电渗原理来制备房水引流微器件。

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纪夏夏(1990-),女,山西朔州人,硕士,中北大学仪器与电子学院,研究方向为生物传感器,xiaxiaji@163.com;

谭秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,副教授,中北大学学术带头人,中国微米纳米技术学会高级会员,国际重要学术期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通讯审稿人。研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术,tanqiulin.99@163.com。

ResearchonOsmosisofElectroosmoticMicropumpforPhysiologicalSolution*

JIXiaxia2,3,SHENDandan2,3,TANQiuling1,2,3*,LIUWenyi2,3,LIChao2,3,LUOTao2,3,ZHOUZhaoying1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The structural and drive principle of a electroosmotic micropump was introduced in this paper,and its osmosis for different physiological solution was investigated. By modeling the humor aquosus drainage system in eyes,the pump was used to test three physiological solution. By changing the supply voltage and recording the experimental time for certain volume of solution,then the corresponding velocity of the flow can be calculated. The data was fitted to obtain the voltage-velocity curves by using Origin Proporable software. The conclusion shows that the voltage has a direct proportion with the velocity of flow. The velocity of the flow could reach to about ten microliter when the voltage is 5 V which is the maximum tolerable value in eyes of human. By analyzing the osmotic permeability of the pump within 5 V and combining the normal flow rate of aquosus drainage,the reasonable supply voltage can be designed accordingly which will be significant for making the practical aquosus drainage system and devices in the future.

micropump;electroosmotic flow;fluid test;osmosis

项目来源:中国博士后第54批面上项目(2013M540089)

2014-05-28修改日期:2014-09-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.001

O361.4

:A

:1004-1699(2014)11-1447-04