電驅(qū)動微流控芯片中傳輸現(xiàn)象的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)或微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)的微流控芯片將傳統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、反應(yīng)、分離和檢測等，集成到方寸大小的芯片上，具有自動、快速以及低樣品消耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、基因突變檢測、蛋白質(zhì)和氨基酸的分析以及單細(xì)胞的分析檢測等生化分析過程中表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，并將發(fā)展成為當(dāng)今世界最前沿的科技領(lǐng)域之一。盡管研究微流控芯片的最終目的是以產(chǎn)品的形式對其進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，但由于微流控芯片加工的高成本，使用合理

2、的模型對其中的傳輸現(xiàn)象進(jìn)行理論上的分析，對于提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本和優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)具有重要的作用。目前，以電場力為驅(qū)動源，以電水動力學(xué)基本原理為理論依據(jù)的微流控芯片占據(jù)著主要地位。微流控芯片中的電場驅(qū)動可以分為直流電場驅(qū)動方式和交流電場驅(qū)動方式，兩種驅(qū)動方式下的傳輸現(xiàn)象都主要包括流體的電滲流動，粒子的電泳分離，以及由于電場的應(yīng)用而在溶液中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)。 本文以微流控芯片中的電水動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要采用理論建模和數(shù)值仿真的

3、研究方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別從直流電驅(qū)動和交流電驅(qū)動微流控芯片中所涉及的電滲、電泳和焦耳熱效應(yīng)這三個基本傳輸過程中提煉出重要的基礎(chǔ)問題進(jìn)行研究，并提出了一系列新穎的流體控制方案(例如電熱流增強(qiáng)效果的微混合器，電熱流動泵等)，最后通過微加工方法分別制備了具有平面電極和三維小立柱陣列電極的介電電泳芯片，以聚苯乙烯粒子為操作工質(zhì)完成了正向和負(fù)向介電電泳實(shí)驗(yàn)，對其介電電泳頻譜的分析進(jìn)行了驗(yàn)證。主要內(nèi)容包括： ⑴直流電驅(qū)動微流控芯片中傳

4、輸現(xiàn)象的關(guān)鍵問題：提出了一種通過在微通道壁面上增加可極化金屬薄膜產(chǎn)生誘導(dǎo)zeta電勢來控制局部電滲流場的新方法，并與通過表面涂層改變壁面zeta電勢的方式進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)zeta電勢并非定值，且能通過外加電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；建立了預(yù)測雙T型通道結(jié)構(gòu)微流控芯片中樣品電堆積富集過程的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬得到了樣品粒子富集及之后“解聚”的全過程，分析了樣品粒子的帶電屬性、緩沖溶液濃度比以及樣品塞初始長度等因素對富集過程的影響，發(fā)現(xiàn)較高的緩沖溶

5、液濃度比和較大的樣品塞初始長度都能提高樣品富集的效果；分析了PDMS微流控芯片中的溫度場分布，考察了緩沖溶液濃度、芯片材料及厚度等因素對溫度的影響，并根據(jù)焦耳熱效應(yīng)對毛細(xì)管區(qū)帶電泳中樣品區(qū)帶傳輸速度和電泳分離效率影響的結(jié)果，指出了PDMS微流控芯片中焦耳熱效應(yīng)對相應(yīng)現(xiàn)象的影響趨勢，最后指出了減小焦耳熱效應(yīng)的方法，發(fā)現(xiàn)減小芯片厚度等措施能有效降低焦耳熱效應(yīng)。 ⑵交流電驅(qū)動微流控芯片中傳輸現(xiàn)象的關(guān)鍵問題：建立了交流電滲泵的數(shù)學(xué)模型，

6、對其中的電勢分布以及交流電滲流的速度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了電解質(zhì)溶液濃度和交變電場頻率對交流電滲流速度的影響，發(fā)現(xiàn)最佳頻率與溶液的電荷弛豫時間相關(guān)；建立了交流電滲泵的RC等效電路模型，對交流電滲泵的阻抗譜進(jìn)行了理論分析，并分析了電極周期寬度、通道高度以及電解質(zhì)溶液濃度對其阻抗特性的影響，發(fā)現(xiàn)增大電極周期寬度、通道高度以及電解質(zhì)溶液濃度都可以降低交流電滲泵的阻抗值；建立了聚苯乙烯粒子以及細(xì)胞的的介電電泳模型并對其進(jìn)行了頻譜分析，以聚

7、苯乙烯粒子為例，在綜合考慮了重力、浮力、介電電泳力以及由于電熱流動引起的Stokes粘拽力的情況下分析了粒子的懸浮高度，發(fā)現(xiàn)Stokes粘拽力在較高的場強(qiáng)作用下對粒子的懸浮高度具有決定性的影響；利用電熱流動在電極附近漩渦狀的流型特點(diǎn)提出了一種新型的微混合器，并分析了電極布置方式、交變電場的大小和頻率等因素對其性能的影響，發(fā)現(xiàn)該混合器具有較高的混合效率；提出了基于非對稱“叉指型”電極結(jié)構(gòu)的電熱流動泵的概念，利用數(shù)值模擬對其進(jìn)行了驗(yàn)證和性能

8、的優(yōu)化，分析了電極寬度比、電解質(zhì)溶液濃度、芯片材料以及頻率等因素對其電熱流速的影響，發(fā)現(xiàn)相比于交流電滲泵，電熱流動泵能在更為廣泛的頻率范圍內(nèi)工作。關(guān)于電熱流微混合器和電熱流動泵的原理和技術(shù)均已申請了中國發(fā)明專利。 ⑶微流控芯片中介電電泳分離技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究：制備了在通道底部沉積有不同平面電極結(jié)構(gòu)的介電電泳芯片，利用聚苯乙烯粒子完成了相應(yīng)的正、負(fù)向介電電泳實(shí)驗(yàn)，對其頻譜理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；提出并制作了在平面“叉指型”電極上電鑄三