压电基片上微流分析器件研究

章安良，董良威

(1. 武夷学院 微电子系，福建 武夷山 354300；2.常州工学院 电子系， 江苏 常州 213022)

0 引言

微流分析器件可以实现常规实验室所完成的生化分析功能，它将常规实验室所用到的实验单元集成在微小基片上[1]。与常规实验室的生化分析相比，微流分析器件上进行的生化分析有较多优点，如：较小的生化试剂消耗量，较小的分析时间，微流分析器件体积小及较小的人为引入误差等[2-4]。因此，微流分析器件引起了国内外专家的重视，并得到快速发展。每年都有大量的微流分析器件相关文献报道，已经渗透到众多学科，在毒品检测、食物安全、DNA分析、单细胞分析、环境监测、医疗即时诊断等领域获得广泛应用[5-7]。

微流分析器件所用的材料与微流分析器件的发展紧密相关，从较早出现的硅、玻璃等为基片材料[8-9]，发展到聚二甲基硅氧烷(PDMS)等有机聚合物材料[10]，纸基片材料[11]和塑料材料[12]等。PDMS具有好的光学、机械特性，易成型且有较好的生物相容性等优点，被广泛用于制作微流分析器件的材料[13]。

制作PDMS微流分析器件的常规方法主要有软光刻和模铸法，大多需要采用微机电系统(MEMS)技术实现微流操作单元的制作;采用等离子体键合仪进行密封键合，这需要昂贵的仪器设备，对于普通实验室研究有一定的局限性[14]，因此,需要研究一种工艺简单、无需昂贵设备的PDMS微流分析器件制作方法。本文提出了一种简单、低成本、一次成型的PDMS微流分析器件的制作方法，无需MEMS设备和键合工艺步骤，适用于普通实验室制作微流分析器件进行微流分析研究。由于声表面波(SAW)有较好的操控微流能力，因此，SAW已广泛应用于微流分析进行各种微流操作[15-17]。为此，本文探索在压电基片上集成微流分析器件，利用SAW能量辐射引起的反应液温度上升来实现微流生化反应，满足有一定温度要求的微流分析，拓展了其应用场合。

1 实验

激发SAW的叉指换能器(IDT)采用集成电路工艺制作，对其施加适当频率(IDT声同步频率)的电信号时，IDT激发SAW，当遇到压电基片上微流体时，SAW向微流体辐射能量，提高微流体温度。由于SAW辐射微流体的温度特性[18]已有报道，故本文对其不再重复实验。

为了降低微流分析器件的制作成本，提出的工艺简单、成本低、无需键合的压电基片上微流器件制作工艺如图1所示。

图1 压电基片上微流器件制作工艺

为观察压电微流器件微流操作功能，构建实验装置如图2所示。

图2 微流输运及纸基器件上微流反应的实验装置

图2中，信号发生器(SP1461)用于产生IDT声同步频率的正弦波信号，并由功率放大器(TSA002A)放大，放大后的信号加载到IDT。试剂和反应液通过进样器进样，微流操作由带高灵敏度电荷耦合器(DCE-2)的显微镜进行观察，观察结果储存于与其相连接的计算机中。MDVNT软件用于摄像控制和图像处理。

2 实验结果与讨论

为验证所制作的微流器件功能，先对微流器件进行微流体输运实验。采用红墨水溶液作为实验对象，采用进样器1在微流器件输入口进样红墨水溶液，观察红墨水溶液在微流器件中的输运。图3为红墨水溶液在所制作的微流器件中输运的视频截图。

图3 红墨水在微流器件中输运的视频截图

图3(a)为微通道入口未注入红墨水溶液状态。图3(b)为采用进样器1将红墨水进样到微通道入口。图3(c)～(e)为红墨水溶液进一步在微通道内输运。图3(f)为红墨水溶液经微通道输运到输出口状态。由图3可知，在所研制的微流器件上可以实现微流输运，验证了微流器件的功能。

将微流器件贴合于压电基片，可以充分发挥SAW的微流特性。本文采用SAW作用于微流，辐射能量，产生热效应，提高微流反应温度。将空白滤纸在质量分数为0.8%淀粉溶液中浸泡2～3 s后移出，常温下自然晾干，并贴合在IDT旁。所制作的PDMS微流器件贴合于滤纸侧面。将0.2 mol/L过二硫酸铵溶液和0.2 mol/L碘化钾溶液分别通过进样器1、2进样到微流器件入口，并在微通道内混合，经微通道出口到达滤纸，与淀粉发生显色反应。同时，在IDT上施加功率27.8 dBm的电信号，激发SAW，辐射的SAW能量提高了显色反应液的温度。图4为0.2 mol/L过二硫酸铵溶液和0.2 mol/L碘化钾溶液在微通道内输运，并在滤纸上发生显色反应的视频截图。

图4 碘化钾溶液和过二硫酸铵溶液在微通道内输运，并在滤纸上发生显色反应的视频截图

图4(a)为反应液未到达微通道入口状态。图4(b)～(d)为0.2 mol/L的碘化钾溶液输入微通道入口视频截图，0.2 mol/L的过二硫酸铵溶液由进样器2经另一入口进样输入；两溶液进样到微通道后，在微通道内输运、混合，到达出口，并与滤纸中淀粉进行显色反应。图4(e)为滤纸浸入淀粉溶液，移出并晾干后的状态。图4(f)为碘化钾溶液和过二硫酸铵溶液的混合液经微通道输运及混合后到达输出口的状态(为了便于输出到滤纸基片，微通道出口进行了部分切除)。图4(g)为混合液进一步扩大，在一定体积(1.5 μL)时，混合液输送到滤纸基片上(见图4(h))，并与滤纸基片上淀粉发生显色反应(见图4(i))。由图4可知，压电基片上可以集成微流器件，完成微流体输运、混合操作，并在SAW作用下，为滤纸基片上反应液提供适当的温度。

为进一步分析观察滤纸基片上淀粉显色反应程度，对滤纸基片上显色反应前后的图4(e)、(i)进行灰度计算，图5为其灰度图。

图5 显色反应前、后灰度图

由图5可知，显色反应后的灰度值明显下降。

3 结论

本文提出了一种新的微流器件制作方法，详细描述了其制作工艺过程，并在压电基片上集成滤纸基片，反应液通过微流器件进行输运、混合，到达滤纸基片，实现淀粉显色反应。所提出的微流器件制作方法的主要优点是制作工艺简单，成本低，无需昂贵的MEMS技术和微流器件的等离子体键合设备，为普通实验室制作微流器件进行微流分析创造了条件。采用所研制的微流器件实现了红墨水溶液输运，并在声表面波能量辐射下，实现了滤纸上淀粉显色反应。由本文工作可得如下结论：

1) 提出的微流器件制作工艺可以制作微流器件，并能实现微流分析。

2) 研制的微流器件可以集成于压电基片上，并可借助声表面波的能量辐射作用，为微流分析提供反应温度条件。