電滲微泵的生理溶液滲透特性研究*

紀夏夏,沈丹丹,譚秋林,*,劉文怡,李 超,羅 濤,周兆英

(1.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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電滲微泵的生理溶液滲透特性研究*

紀夏夏2,3,沈丹丹2,3,譚秋林1,2,3*,劉文怡2,3,李 超2,3,羅 濤2,3,周兆英1

(1.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

介紹了一種電滲微泵的結構及其驅動原理,研究了其對不同生理溶液的滲透特性。模擬眼內房水引流裝置,利用電滲微泵對三種生理溶液進行測試,通過改變電壓,測試定量體積的溶液,記錄時間得出相應流速,用Origin Proporable軟件對數據擬合得出壓電流速曲線,結果表明電壓對液體流動速度的影響成正比。人眼可承受最大5 V電壓,此時該測試微泵傳輸液體流量每分鐘可達到十幾微升,通過分析5 V以內微泵對溶液的滲透性能,結合正常眼內房水引流速度,確定合理的驅動電壓設計值,這將對未來制作實際可用的房水引流裝置和器件產生指導意義。

微泵;電滲流;流體測試;滲透特性

微機電系統(MEMS)中的生物芯片和芯片實驗室技術因其微型化,集成化的特點成為目前公認的最具發展潛力的研究領域[1]。微流控系統作為芯片實驗室中的一個主要組成部分在現階段發展的微全分析系統中有著及其重要的應用,該系統主要是在微流控芯片上的微米尺度空間內對微流體實現可控操作,目前在生物、醫藥、化學等科學研究中均有重要應用[2-3]。當前在微流控系統中液體的驅動方式是一個關鍵問題,由于系統中的尺度效應,忽略液體的重力,電場力成為液體流動的主導驅動力[4]。微泵是驅動液體流動的重要執行器件,按照微泵中微流體驅動控制的原理可分為壓力驅動、水電力驅動、電滲驅動、熱驅動、表面張力驅動等類型,其中電滲驅動的微泵具有輸出壓強高、流量可調范圍廣、無需可移動機械部件、噪聲低、運行可靠、使用壽命長等特點[5-7]。

本文所測試的電滲微泵體積較小,功耗低,首先介紹了微泵的驅動原理及微泵的電滲驅動方程,然后分析了其結構設計及各部分組成,針對之后所要制作的生物微引流裝置,考慮電壓范圍及最佳流速等各方面要求,搭建實驗平臺,在相應條件內對微泵進行不同的生理溶液滲透特性測試,通過測試電壓—流速特性曲線,確定微泵在不同電壓下對不同生理溶液滲透流速的影響,為實際可用房水引流裝置的制作提供指導。

1 工作原理

1.1 電滲原理

電滲泵是基于電滲原理,常用作微通道的硅、玻璃和高分子聚合物等材料與電解質溶液(存在自由運動的離子)接觸時,固體表面發生水解被極化,形成硅烷醇表面基團。壁面電荷吸引溶液中的異性離子,排斥同性離子。這導致液/固界面附近溶液正負離子數量之差,形成帶凈電荷的液體薄層(雙電層),帶電液體相對于壁面作切向的整體流動為電滲流,主要用來驅動和控制微通道極性液體流動[8-10],圖1為電滲泵原理示意圖。

圖1 電滲泵原理圖

在雙電層中,緊密層和擴散層之間的特征厚度用德拜厚度表示,

(1)

式中,εr和ε0分別是工作流體和真空的介電常數,kB是Boltzmann常數,T為絕對溫度,e=1.602 18×1019C代表一個質子的電荷。由于雙電層內部存在著極強的靜電力,當雙電層厚度與流場尺度在同一數量級時,就會導致流動形態發生變化。對通道截面處的速度進行積分,得到電滲泵矩形通道的流率:

(2)

式中,Ex是外加電場,μ是電解質粘性,dP/dx是沿著流體流動方向的壓力梯度。h′是無量綱的半槽道高度,定義為:

h′=h/λD

(3)

f(h′)是考慮到有限雙電層效應的一個校正因子[11-13]。f(h′)定義:

f(h′)=1-tan(h′)/h′

(4)

對于零背壓的情況,流率達到最大值Qmax:

(5)

但實際微泵并不處于零背壓狀態,而是處在一個大氣壓的情況下。

1.2 微泵結構

該電滲微泵主要分為三部分,一部分是正負電極,該微泵只能通直流電壓,另一部分為電滲微通道,剩下的部分為入口處和出口處,微泵結構如圖2所示。

圖2 微泵結構圖

通過為微泵提供電壓,帶電離子帶動周邊溶液作定向移動,使液體得以傳輸。由于傳輸溶液過程中需要避免氣泡的產生,所以采用鈀作為正負電極,主要利用鈀可以吸收氫氣的特性,使得電極對產生的一些氣泡進行吸收。

通過理論分析,結合泵體實際參數,因流體溶液的介電常數不同及真空的介電常數兩個因素,對不同溶液的理論分析,在微泵可承受最大15 V電壓內,零背壓情況下,經過理論計算泵的流速最大值Qmax為150 μL/min,因考慮泵體實際可承受最大背壓為70 kPa,所以泵的流速最小值Qmin為10 μL/min,即微泵理論計算流速在10 μL/min～150 μL/min范圍內。

2 實驗測試

本實驗主要驗證在不同環境下微泵的溶液滲透特性,建立實驗平臺,主要包括:微泵、電源、燒杯、量筒、普通水、濃度為5%的葡萄糖溶液及0.9%的生理鹽水等。

圖3為搭建的實驗平臺。利用OM-20控制器為微泵提供在0～15 V范圍內的七個電壓,分別為2 V、4 V、6 V、8 V、10 V、12 V、14 V的直流電,測試0.2 mL定量體積的三種生理溶液進行,記錄下每種溶液在不同電壓下傳輸完成的時間,為避免測試過程中的不定誤差,每個電壓測試三次數據計算平均流速。

圖3 測試實驗平臺

圖4表示在不同電壓下測試數據的柱形圖,說明了在七個電壓下,從低電壓2 V到高電壓14 V測試三種溶液的流速值,各測試三次取平均避免因外界條件影響而產生的誤差,估計可影響的因素包括壓力、溫度等。

取圖4中各電壓下的平均流速,采用通用的數據處理軟件Origin Proporable將數據進行擬合,如圖5中所示。顯示了三種生理溶液分別在不同驅動電壓下與流速變化的關系。從圖中可知,電壓在5 V左右時,水、葡萄糖溶液及NaCl溶液可達到最大流速分別約為8 μL/min、13 μL/min、4 μL/min。

通過實驗,我們可以得出:隨著電壓的增加,電滲泵的流速不斷增加;流速與電壓并不是線性關系,而是一個非線性函數關系;泵送三種液體的流速不同,在相同電壓下依次為葡萄糖>水>生理鹽水;電壓越小,泵送三種液體的流速差異越小;從項目要求的指標看(電壓≤5 V,流量在幾微升到十幾微升/每分鐘),由于對人體可承受最大5 V電壓范圍內,此電滲泵滿足眼壓控制裝置的設計。

由于以上三種溶液的成份、濃度及PH值各不相同,生理鹽水在通電的情況下容易被電解,電解過程中會產生大量氯氣和氫氣氣泡,由于氯化鈉濃度比較低,氯氣直接溶解在水中,則氫氣泡直接影響了微泵對該溶液的傳輸速度,因而在同一電壓下,生理鹽水的流速最小。通過之前對電滲泵原理的分析,電滲泵流速的大小與電解質的粘性有關,葡萄糖溶液的粘性則較高于水,因而在同一電壓下,電滲泵對葡萄糖溶液的流速最大,則出現以上趨勢。

圖4 7個電壓下的流速數據圖

圖5 三種溶液不同電壓下平均流速的曲線對比圖

3 結論

本文介紹了一種電滲原理的微型無閥微泵,通過利用該泵對溶液的流速測試確定其是否滿足制作房水引流裝置的條件。通過測試結果,可以看出該微泵對不同的生理性溶液的流速隨著電壓的升高雖不呈線性關系,但也隨著電壓的升高,流速也隨之增加,因此可以通過調節驅動電壓值來實現不同引流速度的控制。

在不高于5 V的條件范圍內可達到幾微升到十幾微升/每分鐘,既符合人體機能的要求,也滿足眼內房水引流裝置對生理溶液的滲透流速條件,且不同的測試結果均與微泵的理論分析數據相符。因此可引用該電滲原理來制備房水引流微器件。

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紀夏夏(1990-),女,山西朔州人,碩士,中北大學儀器與電子學院,研究方向為生物傳感器,xiaxiaji@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,副教授,中北大學學術帶頭人,中國微米納米技術學會高級會員,國際重要學術期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向為光學氣體傳感器及檢測技術、無線無源微納傳感器及微系統集成技術、無線傳感器網絡及射頻技術、數據采集及存儲技術,tanqiulin.99@163.com。

ResearchonOsmosisofElectroosmoticMicropumpforPhysiologicalSolution*

JIXiaxia2,3,SHENDandan2,3,TANQiuling1,2,3*,LIUWenyi2,3,LIChao2,3,LUOTao2,3,ZHOUZhaoying1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Key Laboratory Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The structural and drive principle of a electroosmotic micropump was introduced in this paper,and its osmosis for different physiological solution was investigated. By modeling the humor aquosus drainage system in eyes,the pump was used to test three physiological solution. By changing the supply voltage and recording the experimental time for certain volume of solution,then the corresponding velocity of the flow can be calculated. The data was fitted to obtain the voltage-velocity curves by using Origin Proporable software. The conclusion shows that the voltage has a direct proportion with the velocity of flow. The velocity of the flow could reach to about ten microliter when the voltage is 5 V which is the maximum tolerable value in eyes of human. By analyzing the osmotic permeability of the pump within 5 V and combining the normal flow rate of aquosus drainage,the reasonable supply voltage can be designed accordingly which will be significant for making the practical aquosus drainage system and devices in the future.

micropump;electroosmotic flow;fluid test;osmosis

項目來源:中國博士后第54批面上項目(2013M540089)

2014-05-28修改日期:2014-09-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.001

O361.4

:A

:1004-1699(2014)11-1447-04