微流控芯片设计和应用

任春艳, 马圆圆, 王景冉, 师进生

(青岛农业大学 化学与药学院, 山东 青岛 266109)

大学生科技创新项目是各高校为提高大学生的科技创新能力而开展的科研项目,其主要实施方法是学生进入科研实验室完成一些简单的科研项目,借以提高学生的科技创新意识和能力[1-2]。

微流控芯片(microfluidic chip)是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的技术产品,主要通过微机电加工技术,在一块若干平方厘米,以硅、石英、玻璃或高分子聚合物等材料的芯片上构建出微管道网络结构,把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能集成到一块芯片上,利用可控流体在芯片中流动,实现常规化学或生物实验室的多种功能的技术平台[3-5]。芯片的微型化与便携化也限制了芯片微通道的尺寸,多为微米尺度,导致芯片中流体的雷诺数较小,各流体之间仅能依靠分子扩散进行混合,混合效果不好。但利用此系统进行检测分析时,芯片中大多有化学反应发生,这就要求参加化学反应的各种流体必须充分混合均匀,否则就会导致检测结果不准确。因此,如何实现微流控芯片中流体快速均匀混合,是目前微流控芯片领域研究的重要问题[6-8]。

为此,我校材料化学专业大三的一些学生,走进实验室,对微流控芯片的设计及制作进行了探讨,在普通实验室中成功制作了10种不同结构的玻璃微流控芯片,并探讨了其混合效果。最终优选出3种混合100%的芯片,为进行下一步实际应用的实验打下了坚实的基础。

1 实验方法

1.1 芯片制作

1.1.1 仪器和试剂

实验所用的匀胶铬版(SG2506型,铬层厚度145 nm,光胶类别S-1805,胶厚570 nm,等级Um)、抛光片(SG2506型)均来自长沙韶光铬版有限公司,其余试剂均为分析纯。

实验所用主要仪器：红色LED灯(E27,福建海佳照明科技有限公司)；大面积曝光机(KD-1,上海学泽光学机械有限公司)；数控超声波清洗器(KQ-700DV,昆山市超声仪器有限公司)；体视显微镜(SK2100P,深圳市赛克数码科技开发有限公司)等。

1.1.2 溶液配制

(1) 显影液：称取5.2083 g NaOH溶于超纯水中,并定容于1 000 mL容量瓶,即得0.5%的NaOH溶液。

(2) 除铬液：准确称取25.000 0 g硝酸铈铵,并溶于110 mL超纯水中,再加入6.45 mL高氯酸(70%)即可。

(3) 玻璃刻蚀液：准确称取3.700 0 g NH4F 溶于182 mL 超纯水中,再加入10 mL 浓硝酸,8mL HF 混合均匀,最后定容到200 mL。

1.1.3 掩膜的制作

光刻掩模的作用在于当其受到光线照射时,图形区和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。利用曝光成像,就可以把掩模上的图形转移到涂敷在基片表面的光胶层上。

首先在CorelDRAW12绘图软件中绘制出目标图形,并精确设置图形各部分线条的长短和粗细；将设计好的图形用高分辨率的激光照排机,在PET胶片上制得光刻掩膜。

1.1.4 芯片的制作

将玻璃基片放进曝光机中,光刻掩膜置于基片上方后对基片进行曝光；把曝光后的玻璃基片用0.5%的NaOH显影后,依次用自来水、超纯水洗净；然后把基片放到烘箱中,110 ℃下烘30 min；然后把冷却后的玻璃基片浸入除铬液中,除去曝光后的铬层,此时光刻掩膜上的图形在玻璃基片上已清晰可见；将保护后基片浸入刻蚀液中,在45 ℃恒温水浴条件下进行刻蚀,刻蚀速度约为1 μm/min;刻蚀完成后取出玻璃基片,依次用高速自来水、超纯水将其冲洗干净；用玻璃刀切割基片和盖片,并在基片上设计通道的进出口处,用台钻打孔；将基片和盖片清洗干净后贴合,用电吹风吹干,转移到烘箱里烘干后,将己预键合的玻璃芯片转移到马弗炉里进行高温键合6 h,然后自然冷却即可。

从图1可以看出,经过高温键合后的芯片刻蚀的通道并没有发生堵塞,键合结果良好。

图1 键合后的玻璃芯片

用超能胶把自制的储液槽粘到键合后的玻璃芯片的进出口处,这样玻璃微流控芯片即可制作完成,如图2所示。

图2 制作完成的玻璃微流控芯片

1.2 芯片设计及混合效果的测试

1.2.1 仪器及试剂

实验所用的主要仪器设备：恒流泵(TS2-60,兰格恒流泵有限公司)；体视显微镜(SK2100P,深圳市赛克数码科技开发有限公司)；电子天平(FA1204B,上海越平科学仪器有限公司)。所有试剂均为分析纯。

1.2.2 实验方法

本文构建微流控芯片的混合实验装置来分析其混合性能。实验装置主要由计算机、体视显微镜(配有电子目镜)、恒流泵组成。实验步骤如下:

(1) 利用恒流泵以50 μL/min的流速分别将NaOH溶液和酚酞的乙醇溶液通过2个入口引入芯片；

(2) 调节体视显微镜的亮度和焦距,使计算机中清楚地显示芯片中流体颜色的变化；

(3) 待流体流动稳定后,即粉红色流体宽度无明显变化,利用 CCD 进行图像拍摄并保存。

实验中使用的酚酞是一种酸碱指示剂,在碱性条件下,其颜色会由无色变为粉红色。利用酚酞的这种颜色变化特性,借助CCD拍摄两流体在微通道中的颜色变化,然后根据微通道中粉红色液流的宽度就可以计算出微混合器的混合程度[9]。公式如下:

2 结果与讨论

在已经掌握玻璃微流控芯片制作方法的基础上,学生查阅了大量文献,分组讨论后,设计并制作了10种微流控芯片,并探讨了每一种芯片的混合效果,为下一步进行实际应用打下了坚实的基础。

2.1 微流控芯片的设计

图3列出了10种微流控芯片的设计图。

图3 微流控芯片设计图

圆形空腔结构、网格结构和矩形结构这3种微流控芯片中,两流体均分别通过“T”形入口经挤压后流流入主通道,分别流经圆形空腔处、网格结构处和矩形结构处时,圆形空腔内设置的“W”形障碍可能会对流体的流动状态产生影响,而网格结构处和矩形结构中两股流体会分散成多股,也可能会对流体的流动状态产生影响。另外3种芯片均在出口处设置了连续的汇聚-发散部分,这部分结构会对流体的流动宽度产生挤压和扩大,可能会促进流体混合。

共制作了3种流体通道是菱形结构的微流控芯片。第一种菱形结构微流控芯片中,两流体分别通过“T”形入口流入通道,流经菱形结构处时,流体会分散成两股相向而流,在菱形结构的四周还设置了扇形的空腔,此空腔的宽度和菱形通道的宽度相差较大,使流体液流宽度产生变化促进混合,空腔内设置的“S”形障碍也可能会对流体的流动状态产生影响,两流体相向流经一段距离后在两菱形的交点处汇聚,之后再次相向而流,如此重复以上过程加强混合。

由式(11)第2式知，α的最大值αmax=max{90- δmin，δmax- 90}，其中δmin、δmax是δ的最小值、最大值。若简记

第二种是扇形空腔菱形微混合器,与第一种相比,菱形结构有所改变,两流体通过“T”形入口流入通道后,流经菱形结构处时不再分散成两股流体相向而流,而是汇聚成一股流体,这样就避免了第一种结构中两流体分离的问题；另外在菱形结构的四周也设置了多个扇形的空腔,此空腔的宽度和菱形通道的宽度相差较大,使流体液流宽度产生变化促进混合,通道中存在的多处拐角也有可能会对流体的流动状态产生影响。

第三种是错位菱形结构微流控芯片,与前两种相比,仅保留了类似的菱形结构,流体主通道由一段一段的短通道组成,每段短通道连接的时候都相互错开,通道拐角处也是相互错开的,设计原理是利用通道的不均匀性来增强混合。

由于流体在通道中沿着圆周曲线流动时会产生离心力,离心力会导致微通道中的流体有偏向通道外壁流动的趋势,这样就会在通道的上下两端产生2个反向旋转的涡流,一个推动流体顺着通道往前流动,另一个促使流体向和通道外壁垂直的方向流动,这种涡流运动可以显著提高流体的混合程度,达到快速混合的目的。因此我们设计了半圆结构微流控芯片。

连续半圆结构微流控芯片是在半圆结构微混合器的基础上,增加了半圆结构的个数,使流体的混合距离变长,产生的涡流运动更是会极大地促进流体混合。

圆柱结构微流控芯片结合了汇聚-分散结构与半圆结构,并用直通道连接两半圆结构,使整体结构看起来类似圆柱,汇聚-分散结构加强了流体间的扰动,半圆结构产生的涡流运动也会对流体混合产生影响。

扇形结构微流控芯片结合了汇聚-分散结构与半圆结构,并把半圆结构累积做成扇形,汇聚-分散结构加强了流体间的扰动,半圆结构产生的涡流运动也会对流体混合产生影响。

2.2 芯片的混合效果

对上述10种不同结构的微流控芯片,依次进行了混合效果实验,实验结果如图4所示。

图4 微流控芯片混合效果图

由扇形空腔障碍式结构、错位菱形结构和半圆结构这3种微流控芯片混合图中可见,在流经多个混合单元后,粉红色液流的宽度较宽,这就表示NaOH和酚酞的混合程度提高,根据计算,3种芯片的混合程度分别是75%、76.9%和72.2%,说明这3种结构的微混合器混合性能较好。

混合效果最好的是连续半圆结构、圆柱结构和扇形结构的3种微流控芯片。由图4可以看出,液体在分别流经多个连续半圆结构混合单元、多个圆柱结构混合单元以及第一个扇形结构混合单元后,粉红色液流几乎充满了整个通道,由公式计算可得该3种结构的微混合器混合效果达到了100%,这表明氢氧化钠和酚酞已基本混合均匀。

3 结语

本文分别设计并制作了圆形空腔结构、网格结构等10种微流控芯片,然后利用酚酞遇碱变粉红色的特性,向微流控芯片中通入NaOH的水溶液和酚酞的乙醇溶液,根据微通道中粉红色液流的宽度,定量测定并计算了各种微流控芯片的混合性能。最终优选出3种混合性能最好的微流控芯片为连续半圆结构、圆柱结构、扇形结构微流控芯片。通过微流控芯片的设计制作,学生提高了动手能力,同时大大锻炼了学生的科技创新能力,为学生走上科研之路奠定了良好的基础。