基于聲表面波技術實現數字微流體多基片間輸運

摘 要 建立了聲表面波實現多基片間輸運微流體的新方法。由3個1280YX-LiNbO3壓電基片組成，一個基片為接口基片，另兩個為工作基片，每個基片光刻一個中心頻率為27.5 MHz叉指換能器和一個反射柵。采用微量進樣器將待輸運的數字微流體進樣到工作基片2，調節接口基片使得其與工作基片2位于同一高度，并使其間隙盡可能小，在工作基片2的叉指換能器上施加聲同步頻率經放大后的RF信號，激發聲表面波，驅動數字微流體到達接口基片。再采用類似方法將接口基片中數字微流體輸運到工作基片1，完成兩個工作基片間的輸運。實現了不同工作基片上的數字微流體的混合及化學反應。

關鍵詞 數字微流體； 多芯片微流系統； 聲表面波； 叉指換能器； 輸運

1 引 言

由于微流控芯片具有樣品消耗量小，能精確控制反應，成本低廉等優點，近年已在DNA測序，蛋白質分析，單分子分析，床前診斷，單細胞分析，毒品檢測，食品安全和環境監測等領域中得到應用。微流體輸運是微流控芯片的重要的操作單元，在微通道內輸運連續微流體是微流控芯片常用的輸運方法，其缺點是需要微閥、微泵等，制作工藝復雜，成本較高。以數字微流體形式輸運和操縱的微流控芯片具有試劑消耗量更少、器件尺寸更小、制作成本更低等優點而備受關注。介電電潤濕方式實現數字微流體的輸運是較好的微流體輸運方法，適于便攜式微流器件，它無需微閥、微泵，工藝相對簡單，但需要較復雜的外圍控制電路，尤其是當潤濕單元較多時。近年來，基于聲表面波數字微流體輸運和操控在微流控芯片已成為微流控芯片領域的研究熱點，它具有器件小、工藝成熟、成本低廉等獨特優點， 被應用于微流系統中數字微流體操縱、富集懸液中微粒或生物微粒以及微量物質的檢測等。然而，在一個壓電基片上往往難以集成微分析系統所需要的所有操作單元，一個好的解決方法是將微流分析系統中的各單元集成于幾個基片上，即多基片微流系統。在基片間輸運微流體是多基片微流系統的待解決的關鍵問題，是多基片微流系統能否成功的決定因素。本研究提出了采用聲表面波技術實現基片間數字微流體輸運的新方法。它由3個1280 YX-LiNbO3壓電基片組成，其中兩個基片為工作基片，一個基片為接口基片，在每個壓電基片上采用微電子工藝制作叉指換能器和反射柵，在叉指換能器上施加經功率放大器放大后的RF信號，激發聲表面波，驅動基片上的數字微流體，實現兩工作基片間的輸運。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

只要實現兩個工作基片間的輸運，應用相同方法即可實現多個工作基片間的輸運。兩個工作基片間數字微流體輸運的實驗裝置如圖1所示。圖1中，基片1和基片2是工作基片，基片3是接口基片，基片均粘附于PCB板上，墊塊用于確保工作基片1和2的間距，避免基片1上數字微流體與基片2的下表面接觸，影響數字微流體運動。基片3放置于活動平臺上，它可在水平和垂直方向調節。

圖1 數字微流體兩工作基片間輸運的實驗裝置

Fig．1 Experiment set-up for transporting digital micro-fluids between working chip 1 and working chip 2



采用微電子工藝，在每個基片上光刻一個叉指換能器和一個反射柵，每個叉指換能器叉指周期為144

@ m，鋁指條厚度為500 nm，叉指換能器的孔徑為4.32 mm，指對數為35，壓電基片材料為（XY）/1280 LiNbO3，并在各基片表面涂覆Teflon AF 1600（美國Dupont公司）。

2.2 儀器與試劑

SP1461RF信號發生器（南京盛普儀器科技有限公司）提供頻率范圍為100

@ Hz～300 MHz的正弦波信號。功率放大器（石家莊泰盛電子研究所）工作頻率范圍為2～30 MHz，增益為48 dB， 最大不飽和輸出功率為30 W；DCE-2CCD（寧波永新光學股份有限公司）用于監測數字微流體輸運；MDVNT軟件（寧波永新光學股份有限公司）用于圖像處理和控制；YM2462功率計（上海亞美微波儀器廠）用來測量加到叉指換能器上的RF信號功率。

C6H8O7#8226;H2O（>99.5%，上海振企化學試劑有限公司）; NaNO2（>99%， 無錫佳妮化工有限公司）; C12H14N2#8226;2HCl（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）; C6H8N2O2S（99.5%， 天津永大化學試劑開發中心），HCl（分析純，蘭溪盤龍化工試劑廠），實驗用水均為純凈水。

分 析 化 學第39卷

第5期章安良等：基于聲表面波技術實現數字微流體多基片間輸運

2.3 實驗方法

2.3.1 溶液配制 稱取69 mg NaNO2，用水溶解并定容到100 mL，獲得10 mmol/L NaNO2溶液。在此基礎上稀釋，得到1 mmol/L NaNO2溶液；稱取861.05 mg C6H8N2O2S，用水和HCl溶解并定容到100 mL， 獲得50 mmol/L溶液；稱取693.46 mg C6H8O7#8226;H2O，以水溶解并定容至10 mL，得330 mmol/L檸檬酸溶液；稱取259.17 mg C12H14N2#8226;2HCl，以水溶解并定容于100 mL，得到10 mmol/L溶液。

2.3.2 數字微流體在兩工作基片間輸運 為實現數字微流體在兩個工作基片間輸運，首先實現接口基片與一個工作基片間輸運。以水和甘油數字微流體為實驗對象，采用微量進樣器分別進樣2和3

@ L水及2

@ L甘油微流體于接口基片上，在接口基片的叉指換能器上施加27.5 MHz RF信號，激發聲表面波，驅動其上的數字微流體，使得微流體從接口基片運動到工作基片。

為完整實現兩個工作基片間數字微流體的輸運，采用微量進樣器將待輸運的3

@ L水數字微流體進樣到一個工作基片（如工作基片2）上，調節接口基片，使得它與工作基片2處于同一高度，且間隙盡可能小。經功率放大器放大了的27.5 MHz RF信號加到工作基片2中的叉指換能器上，激發聲表面波，驅動工作基片2上的水數字微流體到達接口基片。同樣方法實現接口基片中的水數字微流體到達工作基片1，完成兩個工作基片間輸運，并與工作基片1中的3

@ L紅色染料溶液相混合。

2.3.3 NO2－顯色反應 作為數字微流體在兩個工作基片間輸運的應用，本研究采用該輸運裝置實現了NO－2濃度的檢測。使用打孔機將濾紙打孔成小圓形濾紙片，在50 mmol/L C6H8N2O2S、330mmol/L C6H8O7#8226;H2O和10 mmol/L C12H14N2#8226;2HCl混合溶液中浸泡，并在100℃恒溫箱烘干5 min，制作的NO－2指示濾紙放于工作基片1上。

將3

@ L NaNO2 溶液進樣到工作基片2，應用本輸運系統將其輸運到工作基片1，并與工作基片1中指示濾紙發生顯色反應，根據濾紙顏色灰度值可基本確定NO－2濃度。

3 結果與討論圖2 2

@ L水（a～c）和3

@ L水（d～f）分別施加2.65 和2.80 W時，數字微流體從接口基片輸運到工作基片2的視頻截圖

Fig．2 2

@ L water （a to c） and 3

@ L water （d to f） digital micro-fluidics were transported from the interface chip to working chip 2 with 2.65 and 2.80 W RF signal power respectively

圖2是接口基片上叉指換能器分別施加2.65 和2.80 W的RF信號時，2

@ L水（圖2中a～c）和3

@ L水（圖2中d～f）數字微流體從接口基片輸運到工作基片2的視頻截圖。

圖2表明，當加到叉指換能器的RF信號幅度達到關鍵值時，數字微流體即可實現在壓電基片上輸運，并且單位時間內輸運的距離與RF信號功率和數字微流體的體積有關。

圖3表明， 2

@ L甘油數字微流體在3.20 W的RF信號作用下，成功地從接口基片輸運到工作基片2。

圖3 2

@ L甘油數字微流體在3.20 W的RF信號作用下，從接口基片輸運到工作基片2

Fig．3 2

@ L glycerol digital micro-fluid was successfully transported from interface chip to working chip 2 under 3.20 W RF signal power

a． t ＝0 s； b． t＝0.134 s； c． t＝0.267 s； d． t＝1.267 s.

比較圖2和圖3可知，數字微流體的物理特性對微流體的輸運有影響。

圖2和圖3的實驗結果也可以從理論上得到解釋。當壓電基片的叉指換能器上加聲同步頻率的電信號時，叉指換能器激發聲表面波，并沿壓電基片表面傳播。當聲表面波接觸到微流體時，聲表面波能量按瑞利角θR輻射入微流體。

θR＝arcsin（vW/vR）（1）

式（1）中，vW是聲波在液體中傳播速度，vR為聲波在壓電基片表面傳播速度。

由于SAW的輻射，使在微流體的前后沿間產生聲壓差和密度差，并以單位體積力作用于微流體： 

F＝－ρ（1＋α2l）3/2A2ω2Kiexp2（Kix＋αlKiz）（2）

式（2）中，ω為加到叉指換能器上電信號的角頻率，x和z分別為微流體相對于聲表面波發生散射位置的距離，ρ為微流體密度；A為叉指換能器激發的SAW幅度，它隨加到叉指換能器上RF信號幅度增加而增加；KR為瑞利波的波數；KL為漏SAW的波數；Ki為KL的虛部，

SymbolaA@ l＝j

SymbolaA@ ，而α＝1－（vR/vW）2。當SAW的單位體積力F足夠大時，它克服微流體與壓電基片間的表面張力、摩擦力的阻礙作用，沿SAW傳播方向運動。圖2中水數字微流體體積增大時，水數字微流體與壓電基片間的表面張力和摩擦力及水數字微流體的重力也隨之增加，在接近相同功率的RF信號作用于叉指換能器時，水數字微流體輸運到基片2的距離因而減少。由于甘油微流體與壓電基片間的阻礙作用力比水與壓電基片間的阻礙作用力大，所以，圖3中2

@ L甘油在工作基片2上輸運的距離比圖2中相同體積的水數字微流體輸運距離小。

圖4可見，在2.40 W RF信號功率作用下，3

@ L水數字微流體成功實現了從工作基片2經由接口基片輸運到工作基片1，并與工作基片1中的3

@ L紅色染料溶液混合。圖4a～4c是3

@ L水數字微流體從工作基片2輸運到接口基片，圖4d是接口基片移開，圖4e中接口基片移動到與工作基片1同一高度，圖4f～4h為3

@ L水數字微流體從接口基片輸運到工作基片1，并與工作基片1中的3

@ L紅色染料溶液數字微流體快速混合，圖4I中接口基片移開。

圖4 在2.40 W RF信號功率作用下，3

@ L水數字微流體從工作基片2經由接口基片輸運到工作基片1，并與工作基片1中的3

@ L紅色染料溶液相混合的視頻截圖

Fig．4 3

@ L water digital micro-fluid was transported from working chip 2 to working chip 1 via the interface chip and then mixed with 3

@ L red dye digital micro-fluid in the working chip1 under 2.40 W RF signal power

a. t＝0 s； b． t＝0.2 s； c． t＝13 s； d． t＝19 s； e． t＝0 s； f． t＝1.2 s； g． t＝1.267 s； h． t＝2.4 s； i． t＝21.6 s。

作為微流體輸運的一個操作實例，圖4實現了來自不同工作基片的兩個數字微流體的混合，混合效果可由混合指數表征。

σ＝<（C－）2>（3）

其中，C是每個像素的灰度值，<>代表平均值。對于完全分離的微流體，混合指數σ＝0.5；對于完全混合微流體，混合指數σ＝0。

為計算混合指數，先用曲線方程擬合混合后的數字微流體的區域。由于實驗中混合數字微流體邊界基本上是橢圓型，為簡化計算，采用橢圓方程擬合混合數字微流體的邊界曲線，根據式（3）計算得到3

@ L水與3

@ L紅色染料溶液經1.133s混合后的混合指數為00552，基本實現了充分混合。

為了更直觀地分析混合數字微流體混合程度，將混合數字微流體按擬合的橢圓方程長短軸由橢圓中心向外劃分10個等分區域，計算每個區域的混合指數。計算結果表明，每個區域混合指數均較小，尤以靠近橢圓中心的3個橢圓環區域混合指數最小，均小于0.007，其余的7個橢圓環區域的混合指數均在0.02～0.075之間，進一步說明混合數字微流體基本實現充分混合。

圖5是3

@ L 1 mmol/L NaNO2 溶液進樣到工作基片2，在RF信號作用下從工作基片2經由接口基片到達工作基片1，并與工作基片1上指示試紙中指示劑反應。

圖5a為3

@ L 1 mmol/L NaNO2采用微量進樣器進樣到工作基片2上； 圖5b是工作基片2中叉指換能器施加2.70 W RF信號后，該微流體到達接口基片； 圖5c為該數字微流體完全輸運到接口基片后，接口基片移向工作基片1情況，圖5d為接口基片上叉指換能器加相同RF信號功率驅動數字微流體。圖5e和圖5f為NO－2與濾紙中指示劑進行反應顯色，NO－2濃度可以由濾紙顏色灰度值大致確定。圖5 3

@ L 1 mmol/L NaNO2數字微流體從工作基片2經由接口基片輸運到工作基片1，與工作基片1中濾紙指示劑反應

Fig．5 3

@ L 1 mmol/L NaNO2 digital microfluids was transported from working chip 2 to working chip1 via the interface chip and reacted with indicator

本研究實現了數字微流體在多工作基片間輸運，及不同工作基片兩數字微流體的混合和反應。本研究為多基片生化分析微流系統提供了一種基片間輸運數字微流體的方法，具有潛在的應用價值。



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Transporting Digital Micro-fluids Among Multi-chips

Based on Surface Acoustic Wave

ZHANG An-Liang1，2， XIA Xing-Hua1

1（School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093）

2（Department of Electrical Engineering， Ningbo University， Ningbo 315211）



Abstract A new method for transporting digital micro-fluids among multi chips has been proposed based on surface acoustic wave（SAW）. It is composed of three piezo-electric chips: one is an interface chip and the others are working chips. Each chip has an interdigital transducer （IDT） with 275 MHz center frequency and a reflector， which are fabricated on 1280YX-cut lithium niobate （LiNbO3） substrate. A digital micro-fluid to be transported was first pipetted onto the working chip 2 by a micro-syringe. After the interface chip was adjusted to the same height with the working chip 2 and their gap was as small as possible， an amplified RF signal with 27.5 MHz frequency was applied to the IDT of the working chip 2. The IDT radiated SAW and the digital micro-fluid was actuated to the interface chip. Then the digital micro-fluid was transported from the interface chip to the working chip 1 using the similar method. Two digital micro-fluids on different working chips had successfully been mixed and react based on SAW.

Keywords Digital micro-fluids; Multi chips micro-fluidic system; Surface acoustic wave; Interdigital transducer; Transportation

（Received 19 September 2010; accepted 19 November 2010）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文