微流控生物芯片外部壓強與流體流速的探討

李 輝 曹 晴 古冬冬 賈 芳 鄭 丹 李 聰，*

（1.河南農業大學理學院，河南 鄭州 450002；2.黃河科技學院信息工程學院數理部，河南 鄭州 450063）

0 引言

目前，我們激光制備的生物芯片是由上下兩片PMMA（英文名稱：Polymethyl Methacrylate；中文名：聚甲基丙烯酸甲酯）有機玻璃材料制成，每片有機玻璃厚度為2mm左右。采用準分子激光直寫方法在下片PMMA有機玻璃材料上制備20到40個微通道，再采用熱壓鍵合方式將生物芯片上下兩片永久封閉，然后將芯片粘貼在生物PCR（英文名稱：Polymerase Chain Reaction；中文名：聚合酶鏈式反應）反應裝置的三溫區上。用進樣器控制一定的生物PCR試劑流動速度注入生物芯片，該生物PCR試劑在生物芯片中進行聚合酶鏈式反應（PCR），從而用微量樣品獲取較多的目的基因，以便使生物信息轉化為人能識別的信息量。

本文針對自己刻寫的40個微通道的生物芯片，設計了進樣裝置，研究了進樣壓力與微流控PCR基因芯片各微通道中流體流速之間的關系，為實現微流控PCR芯片中實時測速提供關鍵技術基礎。

1 外部壓強與流體流動速度的研究

1.1 生物芯片

PCR微流控生物芯片是在一個芯片上設計了擴增周期的三個溫區，利用外部注射器控制壓力和驅動液體流動。實驗液體進入微通道后，反應物在微通道通過三個溫區流動，實現一個擴增周期循環。多次循環流動實現多次擴增周期循環。即管內反應物處于周期循環的變化動態，而溫度擴增周期循環處于靜態。

1.2 毛細管流體動力學

流體動力學進樣具體辦法：一是在進口加壓；二是在出口加壓。在流體動力學進樣中，進樣量取決于進樣區帶的長度l，而l=υti，這里的υ是進樣速度，ti是進樣時間，根據管內流體的伯努利方程：式中△p是通過毛細管截面的壓差，r是毛細管經，η是溶液的粘度，L是毛細管長度。PCR微通道毛細管的長度L=40x90mm和直徑D=1mm是一個定值，使用的試驗試劑η也是一個定值，因此上式可以簡化為，其中c為一個定值。

我在芯片的進口和液體的出口分別設計了一個進樣的注射器，注射器和電子壓力計，拉力計連接，可以讀出推力和拉力的大小F，然后根據壓強的公式計算出壓強的大小。

1.3 實驗的設計和分析

在生物芯片的進口和出口分別安裝上注射器（見下圖2），

圖1 40微通道的生物芯片

1-生物PCR試劑進樣口；2–微流控芯片的微通道；3–風冷隔溫孔；4 -生物PCR試劑出樣口。根據上面設計的壓力和拉力計，我們開始我們的實驗。

圖2 進口和出口設計了注射器連接壓力計和推力計

因為微流控PCR芯片中試劑的擴增時間一般是在一個循環30～60秒左右，對于我刻寫的40個微通道的芯片，設計如下方案：

1.3.1 用注射器在進口加壓力，出口不用任何裝置，為大氣壓力；

具體操作：進口1注射器作為進樣的壓力，出口4至于大氣壓力之下

當進樣壓強差為ΔPB=4.48×104帕，ΔPC=5.6×104帕，ΔPD=6.96×104帕，ΔPE=7.6×104帕時，每個微通道循環中流體流過該微通道循環時間（見下圖3）；

圖3 不同壓強40個微通道不同的循環時間

結論如下：

進樣開始的幾個循環液體流速忽快忽慢不太平穩，中間幾個循環以后時間趨于穩定。當芯片進口和出口壓強差在4×104～8 ×104帕時，流體在微通道中每個循環的時間大致在30～40秒左右，基本符合PCR擴增時間。

1.3.2 在進口用注射器加壓力和出口加抽氣壓力時，不同恒壓下，每個微通道循環中流體流過該微通道循環時間（共40個循環）

具體操作如下：進口的注射器施加推力，同時出口的注射器施加拉力

當進樣壓強差 ΔPB=2.0× 104，Δ PC=4.0× 104，Δ PD=4.8× 104，Δ PE= 5.84×104每個微通道循環中流體流過該微通道循環時間（圖 4）；

結論如下：

當壓強差ΔP在 4～6× 104帕時，流體4的循環時間有一定的平穩期，但是當壓強差ΔP在 2～4× 10 帕時，循環時間上下跳躍很大，沒有什么很好的規律。進口和出口用兩個注射器容易造成壓力差的變化幅度大，不好掌握好這個壓力范圍，從而導致微流體的流速沒有規律，無法滿足PCR擴增的需要，因此不建議使用兩端注射器。

2 結束語

生物芯片的發展趨勢是把所有的功能集成到一個很小的芯片范圍內，在很短的時間內可以檢測出結果，應用在現代化的戰場上。本次試驗的芯片，采用一端進樣的方式，另一端是大氣壓，當壓強差在 4×104～8×104帕時，每個循環的時間大致在30～40秒左右，符合PCR擴增的要求。當然這只是個初步的實驗結果，我在很多次的試驗數據中截取的一部分數據，但是這些數據可以充分說明芯片兩端進樣壓強的合適值。當然，不管是激光還是掩膜制造的芯片，在制造過程中可能有很多的不均勻，導致流體流速的變化不穩定，這個問題值得再深入的研究。

[1]姚李英，陳濤，王升啟，左鐵釧，高聚物基PCR微流控芯片技術，中國生物工程雜志，（3），2004，90-97。

[2]論文集《第三屆全國微全分析系統學術會議》2005年10月。

[3]古冬冬.基于微全分析系統PCR基因芯片的光譜檢測技術研究 碩士論文 2008年6月。

[4]姚李英，張瑜，劉保安等，PMMA基于微流控芯片的準分子激光制備方法研究，高等學校化學學報，25（Supple），2004，37-38。

[5]范樹國.生物芯片在醫學上的應用，生物芯片在醫學和食品安檢中的應用大會.2008年4月：228。

[6]陳忠斌.生物芯片技術[M].北京：化學工業出版社，2005.5。