基于电解反应的便携式微流体泵送装置设计及其性能研究

闫姿姿，李姗姗,2，李铭浩，张明航，李铁军,2，戴士杰,2

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.河北工业大学机器人自动化研究所，天津300130）

基于电解反应的便携式微流体泵送装置设计及其性能研究

闫姿姿1，李姗姗1,2，李铭浩1，张明航1，李铁军1,2，戴士杰1,2

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.河北工业大学机器人自动化研究所，天津300130）

微流体的进样和高效泵送是微流控芯片技术实现其功能的基础，目前多采用微流体注射泵实现对微量流体的输送，但与微流控芯片相比，泵体体积较大，且难于与芯片集成．本文基于电解食盐水原理，设计并开发了一种廉价的便携式微流体泵送装置，通过直流电源电解生成的气相流体产生的压力驱动2种液相流体流动，实现了对微流体的可控泵送．微泵主体结构由3D打印而成，用于微泵性能测试的PDMS微流控芯片则利用软光刻工艺加工，体积仅为数立方厘米．在5～10 V直流电压的驱动下，可实现4～12 L/m in的流量，且流量与电压呈近似线性关系．利用该装置，在自主设计、加工并封装的液滴生成微流控芯片中生成了均匀的液滴，验证了该装置在微流体泵送过程中的可靠性．

微流控；微流体泵送；便携；电解；液滴生成

0 引言

微流控芯片（M icrofluidic Chip）是一种在微米尺度空间对流体进行操纵的技术．通过对芯片的结构设计可实现对微通道中的流体进行操控以实现快速诊断[1-2]、新物质合成[3-4]、微反应[5]、细胞培养[6]等目的，研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现对微通道中流体控制的前提和基础[7-8]．目前，微流控系统中的流体驱动方式主要有压力驱动、电动驱动、电磁驱动微泵和电水力[9-10]（EDH）驱动等，如Zengerled R等[11]提出一种利用阀与驱动流体的压差响应之间的相移来实现流体的双向驱动的微型机械泵，施加电压大小为150～200V；Gao等[12]提出利用电渗法来驱动流体运动，此微泵尺寸为30mm×15mm×2mm，尺寸小且易于集成，但所需施加的电压可高达50 V，若作为原动力驱动微生物的运动，50 V电压下产生的焦耳热会影响微生物的活性，且加工难度大．Salari等[13]和Lang等[14]提出利用交流电热方法实现泵送，可在较小的电压下（5 V）驱动大电导率的生物流体，且易与芯片集成，但存在加工困难、流体泵送速度慢、容易产生漩涡影响泵送效果等问题．2014年，Li等[15]研制一种电解驱动微泵，此种微泵利用USB作为驱动电源，通过电解饱和食盐水生成气体的方法来操纵液滴的生成．其工作机理和结构简单，加工难度低，液滴生成部分微通道体积小，易实现微流控芯片的集成化．但由于受铜电极较差的耐腐蚀性和稳定性的限制，导致微泵难于实现多次重复利用．

本文采用稳定性和耐腐蚀性强的石墨电极作为电解电极，利用直流稳压电源（或者干电池、USB电源等能提供相应直流电势的电源）作为驱动能源，为饱和食盐水的电解提供电能，并将电能转换为化学能．驱动微泵的机械结构采用3D打印加工，制作工艺简单．本文的实验研究表明，基于电解原理的便携式微泵可以实现多次重复利用，具有较高的寿命．为了验证该微泵对流体的驱动性能，本文利用标准软光刻制备了Y型微通道，封装后的微流控芯片与电解微泵集成，可实现对分散相（水和甘油混合溶液）和连续相（硅油）的独立驱动，能够生成稳定、可控的液滴，表明了微泵结构设计的有效性．此外，本文给出了5～10V电压下微泵对水的驱动速率曲线，对微泵的性能参数进行了定量评估．

1 微泵的设计

1.1 电解微泵的工作机理

本文所设计微泵工作机理简单易实现，通过在石墨电极上施加电信号即可在连通式电解液储液腔内实现饱和食盐水的电解的气体Cl2和H2分别作为驱动力驱动2个独立式储液腔的液相流体在微通道中运动．饱和食盐水的电解反应原理如式(1)所示．

微泵工作原理如图1所示，直流电源阴极和阳极分别与左侧电解液储液腔相中的2个石墨电极相连接，通电后，阴极和阳极上得失电子情况如式(2)和(3)所示．

由反应式可知，电解过程中在电极的阴极和阳极上分别会生成H2和Cl2，2种气体经由四氟管连接进入右侧独立式腔体，并将其中的液体压入微流控芯片中．

图1 微泵工作原理图（以单相流体驱动为例）Fig.1 Working principleof them icro-pump(Single-phase fluid drive)

本文采用去离子水测量流体在通道中的平均流速，平均流速计算式为

其中si和ti分别表示第i次流体测速实验（共n次）中流体流过的距离．进而，单位时间内流体流量Q可表示为

其中A表示微通道的截面面积．

利用微流控芯片可生成微尺寸的液滴．液滴生成过程中，以其中一种液体作为连续相，另外一种作为分散相，并且结合微通道的结构设计，由于剪切作用，分散相会被连续相剪切形成液滴并均匀分散于连续相中．根据连续相和分散相液体的不同，生成的液滴可分为油包水型（W/O）或者水包油型（O/W）．本文中右侧独立式腔体的液相分别为油和水，左侧连通室电解液储液腔反应产生的Cl2和H2则作为驱动力驱动油相和水相运动，此时油相为连续相，水相为分散相，最终生成油包水型（W/O）液滴．

1.2 微泵的结构设计

图2a）为采用PDMS（Polydimethylsiloxane）软光刻工艺和3D打印工艺制作的微泵结构图．该方案（方案1）利用聚合物材料PDMS将微泵的本体结构和微通道进行集成．由于PDMS的杨氏模量较小，易于产生变形，过大的变形量会导致氯化钠溶液腔体的有效体积不足，且腔体顶部的变形会导致微泵的本征结构不稳定．为此，本文采用有限元仿真软件Patran对PDMS软光刻工艺下的微泵结构的变形量进行了静力学分析，如图2b）所示，仿真参数为：弹性模量Es=1.8MPa，泊松比=0.48，密度=1 194.05 kg/m3．仿真结果表明，PDMS聚合材料在微泵制作过程中会产生塌陷，塌陷率为17.6％，结构的塌陷会导致氯化钠溶液腔体的有效体积不足．且PDMS具有很强的透气性能，不利于反应中气体储存和利用．因此，虽然PDMS是微流控芯片制作中最为常用的材料，但此处不采用PDMS作为微泵主材．

图2 微泵设计方案1Fig.2 Scheme A of them icro-pump

为了避免PDMS微泵的缺点，本文采用结构稳固且密封性较好的PLA塑料作为微泵主材．PLA塑料具有高复合性能，可实现快速粘贴、封装，从而大大降低了封装难度且成品率有了很大程度的提高．利用3D打印材料制备微反应器，并将其与亚克力板粘和，同时利用石墨作为电解电极可实现微泵的多次重复利用，微泵制作工工艺简单，具有较长的使用寿命．该方案（方案2）的设计三维图如图3所示，微泵泵体结构主要由4个微腔组成，连通式电解液储液腔内实现电解反应，另外2个独立式储液腔用于贮存油和水，同时电解液储液腔反应产生的Cl2和H2由四氟管连接分别通入独立式储液腔内部作为驱动力驱动腔内液体进入微通道．此种微泵设计整体尺寸为37.5mm×22mm×14mm，其中内部4个储液腔的尺寸均为15mm×7mm×11mm．

图3 微泵设计方案2Fig.3 Scheme B of them icro-pump

2 实验部分

2.1 实验试剂与仪器

实验试剂：氯化钠晶体；去离子水；PDMS聚合物和塑化剂，美国Dow Corning公司；二甲基硅油，天津市博迪化工股份有限公司；异丙醇、甘油、冰乙酸、无水乙醇、显影干粉、三甲基氯硅烷，天津市博迪化工股份有限公司；硅烷偶联剂，天津市风船化学试剂科技有限公司；硅胶，上海鸣生橡胶厂等．

实验仪器：塑封机，青岛皇冠电子有限公司，型号EL-9DF；电子天平，奥豪斯仪器（常州）有限公司，型号SE202FZH；电热恒温干燥箱，上海景迈仪器设备有限公司，型号XMA-HX-6000；真空泵，浙江飞越机电有限公司，型号FY-1H-N；真空釜，上海三爱思试剂有限公司；等离子机，美国Harrick Plasma公司，型号PDC-002；显微镜，日本尼康公司，型号TI-DH；CCD摄像机，日本尼康公司，型号DS-Qi2；移液器；载玻片；镊子；培养皿；四氟管；注射器；平头针头；手套；亚克力板；直流稳压电源，安泰信科技有限公司，型号APS3005Dm；万用表等．

2.2 测速及液滴生成微通的制作

2.2.1 微通的道构型设计

为验证电解微泵的可行性，设计了如图4a）所示的微通道，用于测量微流体的平均流速．通道基底为玻璃，上层为与玻璃基底键合的PDMS微通道，其中通道的总长度为219mm，高度为40m，宽度为300m．Cl2和H2所驱动的液体分别由入口A和入口B进入测速通道，从出口A和出口B流出．液体流过局部图①和局部图②的标记位置处分别计时，最终求取平均值得到流体在微通道中的平均流速．液滴生成微通道如图4b）所示，Y型通道宽度为300m，高度为40m，H2和Cl2分别驱动分散相和连续相从入口C和D进入，由于剪切作用生成的油包水（W/O）型液滴从出口E流出．

图4 PDMS微通道Fig.4 M icro-channelsmadeof PDMS

2.2.2 微通道的制作

掩膜是光刻加工过程中必不可少的元件，其上有一定形状的图案．光刻过程中，可通过紫外光的照射把掩膜上的图案转印到感光材料上．本文中微通道的加工使用的感光材料为感光干膜，此种感光干膜为负胶，在曝光过程中被固化的光刻胶不易被显影液清洗掉，未被固化的部分容易被清洗掉．微通道的制作工序如图5所示：1）用AutoCAD绘图软件绘制实验所需微通道并将其保存为矢量图，以菲林做为底片，采用高分辨率方式打印出光刻加工所需掩膜；2）利用塑封机将感光干膜与亚克力板进行塑封使感光干膜与基底贴合更紧密并将基底置于80℃恒温箱中烘烤5m in；3）将贴有感光干膜的基底置于曝光机中进行紫外线曝光，时间设置为60s，并用显影干粉配制的显影剂进行显影冲洗，显影后用去离子水冲洗基底，显影后的阳模须在80℃恒温箱中进行坚膜处理；4）将坚膜后的阳模置于真空釜中进行硅烷化处理后将PDMS前聚物与塑化剂以10∶1的质量比均匀混合并浇注于制备好的阳模上，在80℃固化30m in成型即可得到PDMS微通道结构．

2.2.3 微流控芯片的封装

将加工好的PDMS微通道入口和出口处打孔后与玻璃基底一起置于键合机中进行氧等离子处理，约30s后迅速取出并且在1 m in内进行键合，最后将芯片置于80℃加热台上加热30m in，加强键合效果．封装后的微流控芯片如图6所示．

2.3 微泵性能测试实验平台的搭建

利用微泵驱动流体流动的原理，通过外加直流电源施加50V电压使微泵内部的饱和食盐水电解产生一定量的Cl2和H2，产生的气体通过四氟管与微泵独立腔体连接，由于内部压强发生变化，独立腔体内液体受压产生流动，通过四氟管与外部芯片相连接，利用与微泵相连的直流电源控制整个实验过程中所需的电压，通过与显微镜相连的CCD摄像机观察实验现象．

根据实验需求搭建了如图7所示的微泵性能测试的实验平台，该实验平台主要由直流电源、微泵、显微镜、微流控芯片及计算机等组成．

2.4 微泵性能测试实验过程

1）用容量为10m L注射器向微泵联通式电解液储液腔内注入饱和食盐水并保证食盐水不会流到独立腔，2个独立腔中分别注入实验所需溶液；独立式水相储液腔，独立式油相储液腔．为保持电解过程中微泵的输送速率不受溶液组分变化的影响，在反应微腔底部添加有冗余的食盐晶体，不断为反应溶液提供补给，以保证电解过程中食盐水始终处于过饱和状态．

图5 微通道制作过程Fig.5 Manufacturing of PDMSmicro-channels

图6 封装后的微流控芯片Fig.6 M icrofluidic-chipsafter packing

图7 微泵性能测试实验平台Fig.7 Experimentalplatform of themicro-pump

2）分别向右侧2个独立式腔体中注入蒸馏水，并测量5～10 V电压下流体在微通道中的流动速率．

3）分别向右侧2个独立式腔体中注入油和水，并观察5～10 V电压下生成的液滴．

4）利用与显微镜相连的计算机观察实验现象，根据观察到的实验现象调整石墨电极上所施加电压的大小，并实时录像记录实验进程，最后对实验结果进行分析．

3 微泵性能测试实验结果

3.1 外加电压与流体流量关系

微泵的流量取决于电解反应过程中的气体生成总量．由于电解饱和食盐水过程中的产物Cl2在水中具有一定的溶解度（约为1∶2），但Cl2在饱和食盐水中的溶解受到溶液中Cl的抑制，由Cl2驱动的微泵实际流量略小于理想值．而H2难溶于水（溶解度约为100∶1.8），由H2驱动的微泵实际流量与理想值相当．实验表明，在微泵有效工作周期内，Cl2在微泵有限容积的水体内的溶解量不足气体生成总量的1.97％，随着反应时间的进行，微泵具有良好的流量稳定性．

实验表明，直流电压小于5 V时微泵对流体的泵送效果不明显，因此本文给出了5～10 V电压下通道中由Cl2和H2所驱动流体的流量随电压变化的数据，如图8所示．由于当电压在5～7 V范围内时，流量几乎不受电压幅值影响，但当电压增大到7～10V范围时，Cl2和H2所驱动流体的流量近似呈线性关系，其斜率分别为1.23±0.27L/m in V和1.586±0.23L/m in V，微泵性能稳定．可见，在5～10V直流电压的驱动下，流体在通道中的流量为42L/m in，符合微流控芯片领域对进样流量的要求．

3.2 液滴生成

为了验证微泵在微流控芯片中流体泵送的实际性能，本文设计了Y形微通道液滴生成芯片，并用标准光刻工艺制作封装完成，用于油包水型（W/O）液滴的生成．为了得到稳定的液滴，需用硅烷偶联剂与质量分数为5％的异丙醇混合，并加入适量冰乙酸作为催化剂，配制成疏水处理剂，对微通道进行表面处理．利用电解饱和食盐水微泵作为动力源，分别驱动分散相和连续相，生成的微米尺度液滴如图9所示（驱动电压为6 V）．

实验中以40％蒸馏水和60％甘油的混合溶液作为分散相，分散相密度为918 kg/m3，粘度为102Pa s；以硅油和0.2％的span80的混合液作为连续相，连续相的密度为1 154.7 kg/m3，粘度为9.9021×102Pa s；span80在此作为表面活性剂．分散相和连续相两相的表面张力系数为0.03N/m．

图8 外加电压与流体流量图Fig.8 Flow of the fluids

图9 液滴生成实验Fig.9 Experimental resultsof dropletsgeneration

特别地，微液滴的生成速率和液滴尺寸与微通道的尺寸、两相流体的流速比（流速比例，非流速数值）、毛细数、两相物质的表面张力系数等参数有关．本文所提到的基于电解饱和食盐水的微泵，为微液滴生成所必需的连续相和分散相提供了较为恒定的进样流速比，有利于微流控芯片上微米尺度液滴的稳定生成．

4 结论与展望

本文利用低成本的普通碳棒作为电解电极，基于电解饱和食盐水原理，设计并开发了一种廉价的便携式微流体泵送装置，通过直流电源电解生成的气相流体产生的压力驱动了水和硅油2种液相流体的流动，实现了对微流体的可控泵送．微泵主体结构由3D打印而成，用于微泵性能测试的PDMS微流控芯片则利用软光刻工艺加工，整个系统的体积仅为11.55 cm3．直流电压5 V以下，电解反应不明显．在5～7 V直流电压的驱动下，可实现4L/m in的流量，且在7～10 V电压范围内Cl2和H2所驱动流体的流量与电压近似呈线型关系，增幅可达分别为1.23±0.27L/m in V和1.586±0.23L/m in V，两者所驱动流体流速近似相同．利用该装置，在自主设计、加工并封装的液滴生成微流控芯片中生成了均匀的液滴，表明了该微流体泵的可靠性．该微泵具有反应机理简单、操作方便、价格低廉、性能稳定、集成度高且能重复多次利用等优点，可用于微量流体的进样、新物质合成等领域．

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[责任编辑 田丰 夏红梅]

A portablem icrofluidic pump design based on electrolytic reaction and property researches

YAN Zizi1，LIShanshan1,2，LIM inghao1，ZHANGM inghang1，LITiejun1,2，DAIShijie1,2

(1.SchoolofMechanical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China;2.Research Instituteof Robotsand Automation,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Sampleinjectionand efficientpumping isthebasisofm icrofluidic to realizeits functions.Recentlym icrofluidic injection pump ismostly used as theenergy source to convey fluids,butthevolumeof the injection pump ishuge compared w ithm icrofluidic chips,and itishard to integratew ith them icrofluidic chips.In thispaper,a cheap and portablem icropumpwasdeveloped based on the principleofelectrolytic saturated saltwater,DC powerwasused as theenergy source, the generated gases can drive the fluids in different cavities flow to different channels,then controlled pumping can be realized.Themain body structureof them icropump ismade by 3D printing,them icrofluidic chipsused to test the performance of them icropump ismade by soft lithography,and the volume of them icrofluidic chip is in cubic centimeter. The voltageused in theexperimentisamong 5～10V and the flow rate can reach 4～12 L/m in,which isapproximately linearly related to voltages.Then dropletsaregenerated in independencedesignand encapsulatedmicrofluidic chipsusing thismicrofluidic pump,thus the reliability of the device hasbeen verified.

m icrofluidics;m icrofluidic pumping;portable;electrolysis;dropletsgeneration

O651

A

1007-2373(2016)03-0009-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.03.002

2016-02-29

国家自然科学基金（51505123）；河北省自然科学基金（E2013202228）；河北省高等学校青年拔尖人才计划项目（BJ2014014）；中国博士后科学基金（M 5980190）；河北省重点研发计划自筹项目（15271704）；河北工业大学引进人才科研启动经费（208003）；河北省研究生优秀创新课题（220056）

闫姿姿（1989-），女（汉族），硕士生．通讯作者：戴士杰（1970-），男（汉族），教授，博士，博士生导师．