基于微泡共振的快速微流体声学混合方法研究∗

赵章风 张文俊 牛丽丽 孟龙† 郑海荣

1)(浙江工业大学,特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州 310014)

2)(中国科学院深圳先进技术研究院,生物医学与健康工程研究所,劳特伯生物医学成像研究中心,深圳 518055)

(2018年4月16日收到；2018年7月12日收到修改稿)

1 引 言

快速混合层流状态液体是微流控系统样品预处理的重要组成部分[1−4],由于液体在微尺度容器内,液体表面积与其体积比较大,微流控腔道内液体处在雷诺数较小的层流状态,要实现液体的快速且均匀混合非常困难[5,6].

为了突破雷诺数较小的情况下液体混合难的限制,研究人员在主动混合和被动混合方面做了大量研究.主运动混合主要是借助外部场的激励,如磁场[7,8]、电场[9,10]、压力场[11,12]和声场[13,14]；被动混合主要借助结构本身增加液体对流和扩散运动[15,16].在特殊液体混合的情况下,引入磁场或者电场会改变液体的黏滞系数、pH值、介电常数等性质[17],对实验结果的准确性有较大影响；通过压力场混合液体,在瞬态的压力冲击下,腔道内无法形成稳定流,影响液体的均匀混合,从而导致实验结果不准确.外部声场驱动液体是指流体吸收声波能量形成声流,利用声流剪切力作用混合液体,这种混合方法无需改变液体的原有性质,极具吸引力.然而,流体吸收声波能量的效率较低,利用声流效应混合液体往往需要较大能量,而超声导致的热效应显著,这限制了其应用.

本文提出基于声学气泡共振驱动液体混合的新方法,该方法具有制作成本低、作用范围大、混合快速、效率高和输入能量低等优势.采用软光刻技术制作微孔结构和微流控腔道,通过构建被动空化检测系统(passive cavitation detector,PCD)监测气泡振动,通过在腔道内注入直径为2µm的聚苯乙烯小球,观察在外部压电换能器(piezoelectric transducers,PZT)激励下微泡振动产生微流场,利用图像粒子测速(particle image velocimetry,PIV)方法对流场可视化.在输入频率为165 kHz时,分别设置输入PZT的能量为4.04,6.32和8.08 V,在倒置荧光显微镜下观察微泡作用下两种层流液体的混合情况,引入相对混合指数(relative mixing index,RMI)定量分析液体的混合效率.通过实验研究不同输入能量对液体的混合效率的影响,输入能量为8.08 Vpp时,两种液体实现了最佳混合,混合效率达到92.7%.

2 微孔结构设计

本文提出一种底面微孔结构,微孔直径为40µm,在液体流过之后,由于液体表面张力的作用,将在微孔结构处产生微泡,微泡的直径与微孔直径相同.

低振幅声场中的微泡呈现出关于其平衡半径对称的径向振动.在这个线性范围内,微泡的振动行为可以近似看成质量-弹簧-阻尼系统,其中弹簧代表气体的压缩性、周围液体的惯性质量、阻尼器的黏性、热或者辐射损耗[18,19].对于任意二阶线性系统,l(l＞1)阶球形谐振的自然频率为fl,自然频率不同于(一般是低于)预测的零阶波动的共振频率f0,也称为零阶共振方程[20].

其中σ是表面张力,ρM是液体的密度,R球形气泡的等效平衡半径,k是气体的多变指数,P0是气泡受到的压力,Pv是气泡中气体的蒸汽压力.

假定气泡是绝热的,且气泡内部为空气,在常温(25◦C)下进行实验,微流控腔道内液体主要成分是水,为了简化计算,假定为水；液体流过微孔处,内部没有蒸汽,且PZT在外部,整个微流控腔道不受热影响,因此气泡中气体的蒸汽压力为0,则各参数取值如表1所列[21−23].

表1 实验与计算参数Table 1.Experiment and calculation parameters.

将表1的数据代入(2)式,计算得f0=167.486 kHz,根据设计频率选用宽频PZT,通过阻抗分析仪测量其实际频率,实验时,将频率从160 kHz每隔0.1 kHz增加到185 kHz,观察微泡振动情况,在165 kHz时微泡振动最为剧烈,因此,本文的实验频率为165 kHz.

微泡在超声场中产生共振,共振微泡的多模态被激发,产生不同的微流场图形.为了获得更高的振动模态,通过实验验证了复杂的微流场图形.为了直观地观察微流场图形,在微流控腔道内注入球形聚苯乙烯(polystyrene,PS)颗粒,腔道内的PS颗粒同时受到声辐射力和微流诱导拉拽力,振动气泡产生的入射波散射而导致粒子受到辐射力作用,在超声场中,由于微泡振动而作用于微粒上的时均辐射力可以表示成[24,25]:

其中a为微泡的半径,aS为PS粒子的半径,d为微泡和粒子的中心距,u0为气泡表面径向振动速度,ρS和ρM分别代表粒子的密度和液体的密度.此外,辐射力的大小和粒子与微泡的中心距的大小也密切相关,由(3)式可知,FR与d5成反比,即在一定范围内,粒子直径越小,FR越大.振动微泡对粒子的作用力是复杂的,仅分析辐射力无法确定微泡对粒子的作用力是吸引还是排斥.

微流控腔道内形成的振动微泡在微米尺度,微流运动的机制也不同,因此需要考虑微流的雷诺数[26].

微泡振动幅度ε=0.05,运动黏度v=1.0×10−6m.s−1,ω =2πf,计算得Re=0.1018,由计算可知Re≪ 1,因此,该微流可称为Rayleigh-Nyborg-Westervelt(RNW),可以用斯托克斯流来分析腔道内的流场情况[27].

为了更好地理解粒子的俘获机制,还需要考虑声微流对粒子的作用力.声微流在振动边界层内与振动速度的平方梯度成正比,将边界层简化后,可得到非振动状态下流场的最大限值,可用(6)式表示,(7)式为声微流产生的斯托克斯拽力,也称微流场力[23,24].

其中η是介质的动力黏度,ω=2πf,f表示频率.

在声场中,靠近振动微泡的粒子都受到辐射力和流场力的作用,为了更确切地了解粒子能否被振动微泡俘获,需要分析作用于粒子的超声辐射力和流场力,用m表示辐射力与微流场力的比值:

PZT激励频率为165 kHz,PS小球密度为ρS=1.05×103kg/m3,液体动力黏度为η=1.2× 10−3Pa.s(25◦C时). 当m=1时,由(4)式和(8)式可得粒子半径临界值aSL=8.4129µm；当＜1,即aS＜aSL时,微流场力FAS占主导；当＞1,即aS＞aSL时,声辐射力FR占主导.

3 材料和方法

3.1 微流控腔道的制备

图1为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)微结构加工示意图.将洁净的3英寸硅片放在95◦C的热板上烘烤30 min,冷却后,负胶SU-8 3025在匀胶旋涂仪上以500 r/min旋涂15 s,2000 r/min旋涂30 s,旋涂后的硅片放在95◦C的热板上烘烤30 min.冷却后,将含有微流控腔道结构的菲林片置于光刻胶区域正上方,通过光刻机对光刻胶进行曝光,曝光剂量为350 mJ/cm2,然后在95◦C的热板上烘烤15 min.由SU-8 3025的特性决定,受紫外光照射的区域,光刻胶内部发生交联反应,为受到光照区域；光刻胶内部不发生交联反应,从而使得受光照的区域固化程度远大于未受到光照区域.在SU-8显影液浸泡清洗后,受到光照的区域保留下来,其他区域被溶解,清洗干净的硅片放在95◦C的热板上烘烤20 min,增强微结构在硅片上的黏附力.用台阶仪测得微结构厚度为38.1465µm.

PDMS主剂与硬化剂以质量比10:1的比例混合均匀后,倒入含有微结构的硅片上,然后抽真空15 min,除去PDMS里面的气泡,将其在80◦C下固化1 h,然后揭下固化后的PDMS,用孔径为0.75 mm的打孔器在PDMS腔道的液体入口和出口处打孔.将PDMS腔道和带有微孔的PDMS经氧等离子处理30 s,然后腔道和带有微孔结构的PDMS键合在一起,然后贴合在载玻片上,放在80◦C烘箱中烘烤30 min.微孔结构加工完成之后,液体流过腔道,微孔俘获微泡.图2为微孔结构形成微泡的示意图.

图1 微结构加工示意图Fig.1.Schematic of the fabrication process of microstructure and micro-channel.

图2 微泡形成示意图Fig.2.Schematic of the generation of microbubbles.

3.2 微泡振动频谱测量

图3为微泡振动频谱测量装置,底面带微孔的PDMS贴合在载玻片上,开放环形PDMS腔道与带微孔PDMS键合,在腔道内加入水,将微型探头放置于微泡上方,通过构建被动空化检测系统监测微泡振动信号[28,29].信号发生器输出频率165 kHz、电压4.40 V的脉冲信号,经过功率放大器放大后输入到PZT,从而驱动PZT,使得微泡共振,通过微型探头接收微泡振动信号,通过模拟带通滤波器处理后储存在电脑上,PZT和玻片之间通过超声耦合剂连接.

图3 被动空化检测系统记录微泡振动Fig.3.PCD recording the microbubble oscillation.

3.3 PS小球观察微泡振动

本文通过在腔道引入直径为2µm的PS小球,根据(8)式的计算可知,小球在微流控腔道内主要受到声辐射力FR的作用.在腔道内用注射泵注入已稀释的PS小球溶液,液体流过微孔结构时,微泡被俘获,待液体充满腔道之后,停止注射,腔道内液体静止后,用超声耦合剂将PZT和载玻片之间黏接在一起,输入频率为165 kHz的能量,经过功率放大器后激励PZT振动.实验用显微镜高速相机以400帧/s的速度录制小球的运动情况.

3.4 液体混合

微泡振动引起液体液体混合示意图见图4.设计腔道宽度为240µm,高度为40µm,微泡直径为40µm,液体A为稀释的玫瑰红色荧光染液罗丹明b,液体B为透明液体磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffered saline,PBS).Y形腔道和带有微孔结构的基底键合在一起,然后与载玻片贴合,PZT通过超声耦合剂与载玻片黏合,信号发生器输出频率为165 kHz,经过功率放大之后激励PZT,从而导致微泡振动.

图4 液体混合示意图Fig.4.Schematic of liquid mixing.

通过微流泵控制两种液体流入的速度,使得两种液体在微泡未振动时能够有明显的分界,在荧光场下,通过观察荧光亮度来判断液体混合状态,通过ImageJ处理混合前后的图片,读取图片的灰度值,从而量化液体混合强度.

通过改变PZT的输入能量,微泡振动幅度不同,液体的混合程度也不同,引入相对混合指数来定量分析不同状态下液体混合的程度,其计算公式[30,31]为:

其中σ是像素强度的标准差,σ0是为混合时的像素强度的标准差,Ii是局部像素强度,⟨I⟩是像素的总数.

4 结果与讨论

4.1 微泡振动频谱

由于液体的张力作用,在液体流过微孔后,形成微泡.图5是在10倍显微镜下观察到的微孔结构和液体流过后形成的微泡.通过构建被动空化检测系统,分别测量有微泡和没有微泡的状态下开放环形腔道接收到的超声信号.图6为有微泡和没有微泡状态下的微型探头(pinducer)获取到的振动信号,输入信号频率165 kHz,电压分别为4.40 V和8.08 V.结果表明有微泡时基频信号振动幅值比没有微泡时明显增强,且随着输入能量的增加基频信号强度也随之增加.由于微泡存在非线性振动,频谱中出现了二次谐波成分.由此可见,微孔结构可产生稳定微泡,并且PZT产生的能量可有效地耦合到腔道内施加到微泡,激励微泡产生共振,使得气泡处于稳态空化.

图5 微泡显微结构图 (a)液体流过前；(b)液体流过后(10×)Fig.5.Microscopic structure of microbubbles:(a)Before the liquid fl ows；(b)after the liquid fl ows(10×).

图6 微泡振动频谱图Fig.6.the frequency spectrum of the PCD signal generated by microbubble oscillation.

微泡振动频谱图中几乎没有宽带噪声,表明微泡一直处于稳态空化状态,没有出现破碎的情况,图5所示的显微镜光学成像也进一步证明了微泡在实验过程中始终存在,并处于稳定振动状态.

4.2 超声作用下PS小球运动轨迹

微泡振动形成的微流场是决定能否利用该结构实现液体混合的关键.我们进一步研究微泡共振产生的微流,图7(a)是在10倍显微镜下观察到振动微泡引起PS小球在腔道内的典型运动轨迹,输入能量为165 kHz、电压为4.40 V,图7(b)是借助PIV算法计算得到的微泡振动流线图.微孔结构俘获的微泡为半球形,在PZT激励下,产生的流场是对称的,流场的作用范围是微泡直径的20—25倍,即800—1000µm.对称涡旋可用于液体混合,并且具有较大的作用范围.

图7 微泡振动产生的微声流 (a)荧光场中PS小球运动轨迹；(b)声微流流线图Fig.7.Microbubble oscillation induced microstreaming:(a)Trajectory of the PS fluorescent particles in the microstreaming；(b)streaming line of the microstreaming.

4.3 液体混合

图8为165 kHz,8.08 V的输入能量激励微泡振动产生微流引起液体混合的实验图.腔道内荧光染液和透明PBS均以50 nL/s的速度流入,腔道内液体的流速达到1 cm/s,液体流向如图8(a)箭头方向所示,待腔道内液体流稳定时,开始实验.

0 ms时PZT未工作,荧光染液和透明PBS有很明显的界线,实验用显微镜高速相机最小拍摄间距在2.5 ms,在PZT工作时,微泡振动产生微流,使得染液和PBS混合在一起.图8在2.5 ms时,观察到涡流；5.0 ms时,产生的微流已经覆盖了整个腔道,微流逐渐扩大作用范围；在37.5 ms时,微流漩涡卷动的染液和入口处的染液完全融合,使得微泡前后的液体完全混合；40 ms时PZT停止工作,腔道内的两种液体已经混合均匀.然而,当腔道内没有气泡存在时,在相同的输入功率下两种液体并不会混合,如图8(f)所示.

通过ImageJ读取PZT未工作和工作时腔道内横截面的灰度值,判断液体混合程度.如图9为图8(a)和图8(e)划线处距离与灰度值大小的变化曲线,其中虚线表示图8(a)即微泡振动前腔道横截面的灰度值变化曲线,实线表示图8(e)即微泡振动后腔道横截面的灰度值变化曲线,点线表示液体混合后沿液体流动方向的灰度值变化.由图9可以很明显看出微泡振动使得两种液体在横向和纵向均能均匀混合.

图8 液体混合过程 (a)PZT未工作；(b)PZT工作2.5 ms；(c)PZT工作5.0 ms；(d)PZT工作37.5 ms；(e)PZT工作40.0 ms；(f)腔道没有气泡,液体未能混合Fig.8.Mixing process of liquid in the microchannel:(a)Without PZT excitation；(b)PZT excitation after(b)2.5 ms,(c)5.0 ms,(d)37.5 ms,(e)40.0 ms；(f)no mixing effects were observed without microbubble.

0 ms时,腔道内透明液体PBS流过处没有荧光,表现为黑色,其灰度值变化很大；荧光染液流过处发出白色亮光,微泡振动引起液体混合,在PZT停止工作时,腔道内同一位置处的灰度值变得更均匀,其灰度值变化曲线较为缓和；沿液体流动方向液体的灰度值变化也较为缓和.因此,荧光染液和透明PBS能均匀混合,且液体流动方向两种液体的混合也较为均匀.

随着温度升高,罗丹明B内部化学结构发生变化,导致其荧光量子产率降低[32],从而在光学显微镜下可以观察到其荧光强度的变化.在实验过程中,在液体未混合的情况下,罗丹明B染液的颜色没有明显变化；通过红外热像仪测量,发现PZT作用下腔道内液体温度几乎没有变化,说明该体系下热效应不显著,微泡振动是导致混合的最主要因素.

液体的混合效率与输入能量有关,本文研究了165 kHz的输入频率下,PZT的输入能量分别为4.40,6.32和8.08 V时,微泡振动幅度不同,两种液体的混合程度也不同.图10为不同输入电压下两种液体的混合程度变化曲线.通过引入RMI,说明了液体混合均匀程度,本文选取不同时刻液体混合后的灰度值作为表征液体混合均匀性的参数,通过图10可以得知,能量越大,液体混合得越均匀.

图9 腔道内液体灰度值的变化Fig.9.Gray value of liquid in microchannel before and after microbubble oscillation.

图10 不同能量时相对混合指数Fig.10.The relationship between the RMI and input power as a function of time.

5 结 论

本文研究了单微泡振动特性及其应用,实现了基于声微流作用的微流控混合器,通过微孔结构俘获微泡,微泡在PZT的激励下引起空气-液体交界面产生振动,周围液体发生微扰动,从而达到液体混合的效果.通过PS小球在微流控腔道内的运动轨迹可知微泡振动引起的液体扰动作用范围是微泡直径的20—25倍,即800—1000µm,作用范围大.通过定量分析可知微泡振动产生的微流在5 ms时已经扩展到整个腔道,37.5 ms时微泡产生的涡流已经完全闭合,因此在165 kHz,8.08 V的输入能下,微泡在5 ms时已经可以较好地混合流动液体,在37.5 ms时,可以完全充分地混合流动液体,实现了高速流动液体快速高效地混合.通过比较不同能量下振动微泡的混合效率,确定了165 kHz时,输入能量为8.08 V为最佳混合参数.该液体混合器具有低成本、作用范围大、混合效率高和能量低等优势,在微流体混合方面有着重要意义.进一步的研究工作中,将在侧面观察微泡表面的振动情况,实验研究微泡的振动在空间上形成的流场.