微流控芯片設計和應用

任春艷, 馬圓圓, 王景冉, 師進生

(青島農業大學 化學與藥學院, 山東 青島 266109)

大學生科技創新項目是各高校為提高大學生的科技創新能力而開展的科研項目,其主要實施方法是學生進入科研實驗室完成一些簡單的科研項目,借以提高學生的科技創新意識和能力[1-2]。

微流控芯片(microfluidic chip)是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的技術產品,主要通過微機電加工技術,在一塊若干平方厘米,以硅、石英、玻璃或高分子聚合物等材料的芯片上構建出微管道網絡結構,把采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等功能集成到一塊芯片上,利用可控流體在芯片中流動,實現常規化學或生物實驗室的多種功能的技術平臺[3-5]。芯片的微型化與便攜化也限制了芯片微通道的尺寸,多為微米尺度,導致芯片中流體的雷諾數較小,各流體之間僅能依靠分子擴散進行混合,混合效果不好。但利用此系統進行檢測分析時,芯片中大多有化學反應發生,這就要求參加化學反應的各種流體必須充分混合均勻,否則就會導致檢測結果不準確。因此,如何實現微流控芯片中流體快速均勻混合,是目前微流控芯片領域研究的重要問題[6-8]。

為此,我校材料化學專業大三的一些學生,走進實驗室,對微流控芯片的設計及制作進行了探討,在普通實驗室中成功制作了10種不同結構的玻璃微流控芯片,并探討了其混合效果。最終優選出3種混合100%的芯片,為進行下一步實際應用的實驗打下了堅實的基礎。

1 實驗方法

1.1 芯片制作

1.1.1 儀器和試劑

實驗所用的勻膠鉻版(SG2506型,鉻層厚度145 nm,光膠類別S-1805,膠厚570 nm,等級Um)、拋光片(SG2506型)均來自長沙韶光鉻版有限公司,其余試劑均為分析純。

實驗所用主要儀器：紅色LED燈(E27,福建海佳照明科技有限公司)；大面積曝光機(KD-1,上海學澤光學機械有限公司)；數控超聲波清洗器(KQ-700DV,昆山市超聲儀器有限公司)；體視顯微鏡(SK2100P,深圳市賽克數碼科技開發有限公司)等。

1.1.2 溶液配制

(1) 顯影液：稱取5.2083 g NaOH溶于超純水中,并定容于1 000 mL容量瓶,即得0.5%的NaOH溶液。

(2) 除鉻液：準確稱取25.000 0 g硝酸鈰銨,并溶于110 mL超純水中,再加入6.45 mL高氯酸(70%)即可。

(3) 玻璃刻蝕液：準確稱取3.700 0 g NH4F 溶于182 mL 超純水中,再加入10 mL 濃硝酸,8mL HF 混合均勻,最后定容到200 mL。

1.1.3 掩膜的制作

光刻掩模的作用在于當其受到光線照射時,圖形區和非圖形區對光線的吸收和透射能力不同。利用曝光成像,就可以把掩模上的圖形轉移到涂敷在基片表面的光膠層上。

首先在CorelDRAW12繪圖軟件中繪制出目標圖形,并精確設置圖形各部分線條的長短和粗細；將設計好的圖形用高分辨率的激光照排機,在PET膠片上制得光刻掩膜。

1.1.4 芯片的制作

將玻璃基片放進曝光機中,光刻掩膜置于基片上方后對基片進行曝光；把曝光后的玻璃基片用0.5%的NaOH顯影后,依次用自來水、超純水洗凈；然后把基片放到烘箱中,110 ℃下烘30 min；然后把冷卻后的玻璃基片浸入除鉻液中,除去曝光后的鉻層,此時光刻掩膜上的圖形在玻璃基片上已清晰可見；將保護后基片浸入刻蝕液中,在45 ℃恒溫水浴條件下進行刻蝕,刻蝕速度約為1 μm/min;刻蝕完成后取出玻璃基片,依次用高速自來水、超純水將其沖洗干凈；用玻璃刀切割基片和蓋片,并在基片上設計通道的進出口處,用臺鉆打孔；將基片和蓋片清洗干凈后貼合,用電吹風吹干,轉移到烘箱里烘干后,將己預鍵合的玻璃芯片轉移到馬弗爐里進行高溫鍵合6 h,然后自然冷卻即可。

從圖1可以看出,經過高溫鍵合后的芯片刻蝕的通道并沒有發生堵塞,鍵合結果良好。

圖1 鍵合后的玻璃芯片

用超能膠把自制的儲液槽粘到鍵合后的玻璃芯片的進出口處,這樣玻璃微流控芯片即可制作完成,如圖2所示。

圖2 制作完成的玻璃微流控芯片

1.2 芯片設計及混合效果的測試

1.2.1 儀器及試劑

實驗所用的主要儀器設備：恒流泵(TS2-60,蘭格恒流泵有限公司)；體視顯微鏡(SK2100P,深圳市賽克數碼科技開發有限公司)；電子天平(FA1204B,上海越平科學儀器有限公司)。所有試劑均為分析純。

1.2.2 實驗方法

本文構建微流控芯片的混合實驗裝置來分析其混合性能。實驗裝置主要由計算機、體視顯微鏡(配有電子目鏡)、恒流泵組成。實驗步驟如下:

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

(2) 調節體視顯微鏡的亮度和焦距,使計算機中清楚地顯示芯片中流體顏色的變化；

(3) 待流體流動穩定后,即粉紅色流體寬度無明顯變化,利用 CCD 進行圖像拍攝并保存。

實驗中使用的酚酞是一種酸堿指示劑,在堿性條件下,其顏色會由無色變為粉紅色。利用酚酞的這種顏色變化特性,借助CCD拍攝兩流體在微通道中的顏色變化,然后根據微通道中粉紅色液流的寬度就可以計算出微混合器的混合程度[9]。公式如下:

2 結果與討論

在已經掌握玻璃微流控芯片制作方法的基礎上,學生查閱了大量文獻,分組討論后,設計并制作了10種微流控芯片,并探討了每一種芯片的混合效果,為下一步進行實際應用打下了堅實的基礎。

2.1 微流控芯片的設計

圖3列出了10種微流控芯片的設計圖。

圖3 微流控芯片設計圖

圓形空腔結構、網格結構和矩形結構這3種微流控芯片中,兩流體均分別通過“T”形入口經擠壓后流流入主通道,分別流經圓形空腔處、網格結構處和矩形結構處時,圓形空腔內設置的“W”形障礙可能會對流體的流動狀態產生影響,而網格結構處和矩形結構中兩股流體會分散成多股,也可能會對流體的流動狀態產生影響。另外3種芯片均在出口處設置了連續的匯聚-發散部分,這部分結構會對流體的流動寬度產生擠壓和擴大,可能會促進流體混合。

共制作了3種流體通道是菱形結構的微流控芯片。第一種菱形結構微流控芯片中,兩流體分別通過“T”形入口流入通道,流經菱形結構處時,流體會分散成兩股相向而流,在菱形結構的四周還設置了扇形的空腔,此空腔的寬度和菱形通道的寬度相差較大,使流體液流寬度產生變化促進混合,空腔內設置的“S”形障礙也可能會對流體的流動狀態產生影響,兩流體相向流經一段距離后在兩菱形的交點處匯聚,之后再次相向而流,如此重復以上過程加強混合。

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。若簡記

第二種是扇形空腔菱形微混合器,與第一種相比,菱形結構有所改變,兩流體通過“T”形入口流入通道后,流經菱形結構處時不再分散成兩股流體相向而流,而是匯聚成一股流體,這樣就避免了第一種結構中兩流體分離的問題；另外在菱形結構的四周也設置了多個扇形的空腔,此空腔的寬度和菱形通道的寬度相差較大,使流體液流寬度產生變化促進混合,通道中存在的多處拐角也有可能會對流體的流動狀態產生影響。

第三種是錯位菱形結構微流控芯片,與前兩種相比,僅保留了類似的菱形結構,流體主通道由一段一段的短通道組成,每段短通道連接的時候都相互錯開,通道拐角處也是相互錯開的,設計原理是利用通道的不均勻性來增強混合。

由于流體在通道中沿著圓周曲線流動時會產生離心力,離心力會導致微通道中的流體有偏向通道外壁流動的趨勢,這樣就會在通道的上下兩端產生2個反向旋轉的渦流,一個推動流體順著通道往前流動,另一個促使流體向和通道外壁垂直的方向流動,這種渦流運動可以顯著提高流體的混合程度,達到快速混合的目的。因此我們設計了半圓結構微流控芯片。

連續半圓結構微流控芯片是在半圓結構微混合器的基礎上,增加了半圓結構的個數,使流體的混合距離變長,產生的渦流運動更是會極大地促進流體混合。

圓柱結構微流控芯片結合了匯聚-分散結構與半圓結構,并用直通道連接兩半圓結構,使整體結構看起來類似圓柱,匯聚-分散結構加強了流體間的擾動,半圓結構產生的渦流運動也會對流體混合產生影響。

扇形結構微流控芯片結合了匯聚-分散結構與半圓結構,并把半圓結構累積做成扇形,匯聚-分散結構加強了流體間的擾動,半圓結構產生的渦流運動也會對流體混合產生影響。

2.2 芯片的混合效果

對上述10種不同結構的微流控芯片,依次進行了混合效果實驗,實驗結果如圖4所示。

圖4 微流控芯片混合效果圖

由扇形空腔障礙式結構、錯位菱形結構和半圓結構這3種微流控芯片混合圖中可見,在流經多個混合單元后,粉紅色液流的寬度較寬,這就表示NaOH和酚酞的混合程度提高,根據計算,3種芯片的混合程度分別是75%、76.9%和72.2%,說明這3種結構的微混合器混合性能較好。

混合效果最好的是連續半圓結構、圓柱結構和扇形結構的3種微流控芯片。由圖4可以看出,液體在分別流經多個連續半圓結構混合單元、多個圓柱結構混合單元以及第一個扇形結構混合單元后,粉紅色液流幾乎充滿了整個通道,由公式計算可得該3種結構的微混合器混合效果達到了100%,這表明氫氧化鈉和酚酞已基本混合均勻。

3 結語

本文分別設計并制作了圓形空腔結構、網格結構等10種微流控芯片,然后利用酚酞遇堿變粉紅色的特性,向微流控芯片中通入NaOH的水溶液和酚酞的乙醇溶液,根據微通道中粉紅色液流的寬度,定量測定并計算了各種微流控芯片的混合性能。最終優選出3種混合性能最好的微流控芯片為連續半圓結構、圓柱結構、扇形結構微流控芯片。通過微流控芯片的設計制作,學生提高了動手能力,同時大大鍛煉了學生的科技創新能力,為學生走上科研之路奠定了良好的基礎。