玻璃-PDMS微流控芯片的电渗性能研究

崔丽佳，王升高，张　维，皮晓强，刘星星，陈　睿（武汉工程大学 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，武汉　430074）

玻璃-PDMS微流控芯片的电渗性能研究

崔丽佳，王升高，张维，皮晓强，刘星星，陈睿
（武汉工程大学 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，武汉430074）

以玻璃为基片的微流控芯片在制造上存在工艺复杂、加工周期长、成本高等问题。实验以载玻片和PDMS为原材料，采用湿法刻蚀和浇筑的方法在玻璃和PDMS上制备出较佳结构的微沟道，并分别与PDMS和玻璃不可逆封接，获得了玻璃-PDMS（沟道在玻璃上，A.玻璃-PDMS）、玻璃-PDMS（沟道在PDMS上，B.玻璃-PDMS）两种芯片。对A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS两种芯片进行了伏安特性研究，得出芯片的线性伏安特性的最高电压分别为1 990 V、1 050 V，此时所对应的场强分别为499 V·cm-1、263 V·cm-1。利用电流监测对芯片的电渗性能进行分析，发现电渗流速度随缓冲溶液pH值的升高而增大，表面活性剂SDS的添加能显著提高电渗速度的大小和稳定性。

电渗；微流控芯片；PDMS

0　引言

微流控芯片是21世纪最为重要的前沿技术之一［1］。自诞生以来，微流控芯片技术发展迅速，使人类基因组计划提前完成，这充分显示了微流控芯片技术的巨大应用价值。在微流控芯片的发展初期，成熟的半导体技术使得玻璃和硅材料成为构建微流体芯片的首选材料［2］，但是随着研究的不断深入，表现出了不同程度的局限性，硅材料属于半导体，强度和散热性好，但绝缘性和透光性较其他材料差，不能承受高压，与光学检测技术不兼容，且不耐酸碱、易碎、深度刻蚀困难；玻璃材料无论是从物理性质还是化学性质，都适合于微流控芯片的制作，这是因为玻璃有一定的强度和良好的散热性，透光性和绝缘性也较好。使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃和石英上，并且玻璃芯片的线性伏安特性的最高电压可达1 100 V，此时场强约为1 294 V/cm［3］。但存在制作工艺复杂、深度刻蚀困难、键合温度高和键合成品率低等缺点。因此，研究者把更多的注意力转向了原材料便宜、加工制作简单的高分子聚合物。在微流控芯片的研究设计中，电渗流是由芯片微通道和电解液界面的双电层引起的液体流动，对小尺寸流动意义重大［4-7］。通过改变电解液的组成，可以有效的控制电渗流的大小，提高电渗流驱动工作效率［8］。

实验采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）与玻璃制作芯片，在一定程度上使工艺流程更为简洁，对A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS两种芯片的进行了伏安特性研究，并利用电流监测对芯片的电渗性能进行分析，具体讨论了表面活性剂SDS和缓冲溶液pH值对电渗流速度影响。

1　实验部分

1.1实验原料和设备

实验材料为四甲基氢氧化胺，氢氟酸、硝酸、氨水、盐酸、硝酸铈胺、高氯酸、浓硫酸、无水乙醇、丙酮、碘化钾、碘单质均为分析纯。实验设备有磁控溅射镀膜机（JCP-200），光刻机（URE-2000/17），高密度等离子体刻蚀机（ICP-98A）。

1.2沟道的制备

玻璃沟道采用标准光刻和湿法刻蚀技术在25.4 mm×76.2 mm（厚为0.8～1.0 mm）玻璃基片上加工［9-10］，PDMS沟道用光刻和蚀刻的方法先制出通道部位突起的硅阳模，在阳模上浇注液态的PDMS单体，通过加热固化，工艺过程如图1所示。

图1　PDMS沟道制作工艺流程图

1.3芯片封接

分别将处理后的PDMS基片与玻璃盖片，处理过的玻璃基片与PDMS盖片对贴，施加合适的压力，放置20～30 min后两基片牢固地结合在一起，即可实现永久封接，得到A.玻璃-PDMS、B.玻璃-PDMS两种芯片。

1.4芯片的伏安特性研究

图2　电渗流测试装置示意图

2　结果与分析

2.1微流控芯片结构的选择

按照欧姆定律，微流控芯片中的缓冲液成分恒定且芯片的结构一定时，通过芯片的电流与外加电压是呈现线性关系，即芯片的伏安特性表现为线性。但是随着电压的升高，产生的焦耳热增多，达到一定的限度后系统不能及时有效的发散焦耳热，芯片的伏安特性偏离线性，系统的分离效果降低。因此研究芯片的伏安特性对芯片设计以及外加电压的选择有重要的指导意义［11］。

对自制的两种芯片进行了伏安特性研究，沟道尺寸相同时，得出图3所示结果，（a）A.玻璃-PDMS芯片；（b）B.玻璃-PDMS芯片缓冲液为20 mol·L-1的KH2PO4溶液。B.玻璃-PDMS芯片的线性伏安特性的最高电压为1 050 V，此时的场强约为263 V·cm-1，如图3（a）所示；A.玻璃-PDMS芯片的线性伏安特性最高电压为1 990 V，此时的场强约为499 V·cm-1，如图3（b）所示。同样沟道几何尺寸的两种芯片的线性伏安特性区域不同，这与两种材料的散热情况有很大关系。玻璃的导热系数（1.4 W/m·K）远大于PDMS（0.18 W/m·K），因此其散热效果好，可施加的分离电压也就高。由于A.玻璃-PDMS芯片的线性伏安特性的最高电压最大，线性伏安特性区域最宽，因此焦耳热对电渗、电泳分离的影响最小，在以后的实验中都选择A.玻璃-PDMS芯片。

图3　两种芯片的伏安特性曲线图

2.2不同种类缓冲溶液的电渗流

图4为醋酸钠的电渗图，缓冲溶液pH5，电压为1 200 V，电场强度约为300 V·cm-1，电渗速度为0.102 6 cm·s-1；图5为磷酸二氢钠的电渗图，缓冲溶液pH7，电压为1 200 V，电场强度约为300 V·cm-1。电渗速度为0.148 1 cm·s-1；图6为硼酸钠的电渗图，缓冲溶液pH8.5，电压为1 200 V，电场强度约为300 V·cm-1，电渗速度为0.173 9 cm·s-1；图7为Tirs的电渗图，缓冲溶液pH10，电压为1 200 V，电场强度约为300 V·cm-1，电渗速度为0.190 5 cm·s-1。种类不同的缓冲液，通过溶液的pH值影响电渗流速度，研究中所用到的缓冲液pH值从低到高的顺序为：醋酸钠＜磷酸二氢钠＜硼酸钠＜Tris。在微流控芯片电驱动中，流动相pH值通过影响基片表面硅羟基Si-OH的解离而对电渗流产生影响。pH值越高，硅羟基的解离越充分，负电荷密度越大，zeta势也越大，导致电渗流速度也越大。

图4　醋酸钠的电渗曲线图

图5　磷酸二氢钾的电渗曲线图

图6　硼酸钠的电渗曲线图

图7　Tris的电渗曲线图

当pH值大于9时，表面硅羟基完全离解，电渗流速度将几乎不变。在低pH值时，固定相硅羟基的离解较少，表面电荷密度下降，zeta势减小，使得电渗流速度也减小。图8为电渗速度与pH值的关系图，可以看出随缓冲溶液pH值的增大，电渗速度增大。

图8　电渗速度与pH值的关系曲线图

2.3表面活性剂对电渗流速度的影响

图9为表面活性剂（SDS）对电渗流速度的影响图，（a）缓冲溶液中SDS浓度为0.25 mM；（b）缓冲液中不含SDS，电压为1 200 V，电场强度约为300 V·cm-1，在缓冲液磷酸二氢钾pH7中加入添加剂，如中性盐、两性离子等表面活性剂以及有机溶剂会引起EOF的显著变化。中性盐可使双电层变薄，有机溶剂可增加溶液黏度，均可导致电渗流的减小，但只能抑制电渗而不能改变方向，两性离子可使管壁负电荷增加，从而缩短迁移时间而不产生较大电流，表面活性剂则能显著改变玻璃-PDMS芯片内壁特性，控制zeta电势的大小、符号。从图9（a）可以看出，缓冲溶液中加一定浓度的表面活性剂SDS能显著提高电渗流的大小，且电渗流能在更短的时间趋于稳定。十二烷基硫酸钠（SDS）可以使壁表面负电荷增加，zeta电势增大，电渗流速度增大。

图9　表面活性剂（SDS）对电渗流速度的影响曲线图

3　结论

比较了两种芯片工作时的伏安曲线，得出了玻璃-PDMS（沟道在玻璃上）、玻璃-PDMS（沟道PDMS上）芯片的线性伏安最高电压分别为：1 990 V、1 050 V，此时所对应的场强分别为499 V·cm-1、263 V·cm-1。

对同一玻璃-PDMS芯片而言，不同种类的缓冲溶液的电渗流速度不同，随缓冲溶液pH值的升高，电渗速度增大；在缓冲溶液中加一定浓度的表面活性剂SDS能显著提高电渗速度的大小和稳定性。

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［11］邓延倬，何金兰.高效毛细管电泳［M］.北京：科学出版社，1996.

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

国家自然科学基金（No.51272187、No.51442003）、湖北省自然科学基金（No.2013CFA012、No.2015CFB229）和湖北省科技厅（No.2015BAA093）

崔丽佳（1992-），男，湖北荆州公安人，硕士，从事电化学研究。E-mail：cuilijia1992@qq.com。