基于微流控芯片的帶電液滴教學實驗系統

劉威++饒浪

【摘要】帶電液滴是負載有電荷的微小液滴，其在化工，電子等領域有的廣泛的應用價值。本文利用微流控芯片技術，在流聚焦溝道處實現了微液滴的可控精確生成，通過流速的控制可以對微液滴的尺寸和生成的速度進行調整；利用極化微液滴的分裂，實現了對微液滴的充電，通過控制極化電場的強度，可以精確的調整帶電微液滴上的電荷量；利用微流溝道里的三維微電極，在微流控芯片內構建了局部的平行電場，通過平行電場對微液滴進行了精密的操控；同時通過理論分析，詳細的分析了微液滴的偏轉距離和微液滴所負載電荷量的關系。

【關鍵詞】微液滴 帶電液滴 微流控芯片 微加工

【基金項目】國家基礎科學人才培養基金： （J1210061）。

【Abstract】Charged droplet is micro-droplet with positive or negative charge， which has widely application value in chemical and electronic field. In this paper， fluid-focus structure in microfluidics chip was utilized to generate droplet. The size can be accurately adjusted by controlling the speed of the inlet liquid. Droplet was charged by split of the polarized droplet. The charge quantity in the droplet can be accurately adjusted by applying the voltage on the electrodes. The charged droplets can also be control by the 3D-electrodes integrated in the microfluidics chip. Through the theory calculation， the relationship between the replacement distance and the charge quantity of the droplets was analyzed.

【Keywords】droplet； droplet charge； microfluidics chip； micromachining

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0255-02

帶電液滴有著廣泛的基礎研究和應用研究的價值，帶電液滴可用于靜電噴涂，能夠使涂層均勻并節省能源；帶電液滴也可以用大面積農藥散布，由于靜電力的作用，可使農藥顆粒吸附在樹木的葉子果實表面，防止農藥飛散，大大的提高農藥利用率；液滴偏轉印刷也是帶電液滴的重要應用領域，液滴偏轉印刷幾乎沒有機械部件，可以進行高速印字，噪音低，成本便宜。密立根油滴實驗也是帶電液滴在基礎研究中的重要應用。

然而傳統的微液滴制備方式為噴嘴噴出法，無法對液滴的尺寸和帶電量進行精確的控制，也無法直觀的觀察液滴充電和生成，大大限制了對帶電液滴的分析和應用。

微流控芯片又被稱為芯片實驗室，是在一塊幾平方厘米大小的芯片上集成液體的制備、反應、檢測、分離等多個功能，實現多功能的微型液體實驗室。其微通道尺寸的數量級達到微米級，甚至是亞微米級的層次，所以在微通道中的流體的厚度也可以達到微米甚至是亞微米級的，從而能夠實現對液體的各種精密控制。

微流控芯片憑借其高通量、小尺寸、低成本、少量的試劑消耗、無污染、分析速度快和準確性高等優點成為已化學合成、生物分析和信息技術檢測方面最有前景的實驗平臺之一。隨著微流控芯片技術飛速發展，其應用也越來越廣泛，在微流控芯片中實現液滴分選的技術便是微流控芯片的重要應用之一，有著反應速度快、試劑消耗小的優點，具有強大的分析功能[1]，[2]，應用前景被廣泛看好。用于細胞俘獲、細胞培養、細胞裂解和其他應用[2-5]的基礎液滴操作包含有液滴的產生、分選、誘捕和融合，可利用光學[4]、磁性[6]、聲學[7]、閥基[8]、電學[3，9-12]等多種手段進行操作。

本文利用微流控芯片設計了一組微液滴操控系統，實現了對微液滴的尺寸的可控生成，微液滴的精密充電，以及帶電液滴偏轉。所有功能集成在一塊硬幣大小的微流空芯片內部。

1.微流控芯片設計和加工

1.1微流芯片設計

圖1是實驗所用到的微流體芯片功能示意圖，包括三個功能部分：（1）微液滴發生部分，（2）微液滴充電部分和（3）帶電液滴偏轉部分。

如圖1（c）所示為芯片中的“十字”流聚焦結構。流聚焦結構是微流控芯片中的液滴生成結構，其通常為十字形狀，兩側的連續油相和中間的水相在十字點匯聚，如圖所示。十字溝道的油相可以對中間水相施加對稱的剪切力，將水相剪切成一個一個水相微液滴。

如圖1（d）區域為微液滴充電區域。

水相微液滴的分裂，可以使一顆納升或皮升級的極化微液滴分裂成多個包含有不同電荷的更小微液滴。微液滴分裂主要借助于微液滴通過不同結構時的剪切力來實現。如圖1（d）所示，T形分裂溝道可以用來進行微液滴的等比例分裂，當T形溝道上下兩分支的長度和寬度相同的時候，其流阻也相同，微液滴在T形溝道處被分割成兩個子微液滴，子微液滴的尺寸由氣閥（圖1f）的壓力來控制。液滴在充電電場（圖1d）中，會發生正負電荷的分離，靠近正電極的液滴表面會帶負電荷，靠近負電極的液滴會帶正電荷。

圖1（g）區域為帶點液滴偏轉區域。帶電微液滴在電場的作用下發生偏轉。

1.2微流芯片加工

微流控芯片利用軟光刻方法進行制備，其制備步驟：（1）打印微流控芯片通道膠片掩膜。用它代替傳統的光刻玻璃掩膜；用臺式甩膠機在硅片上涂覆60微米厚的AZ-50XT光刻膠，且用電熱板在110攝氏度烘干；（2）利用制作的膠片掩膜對涂有光刻膠的硅片進行曝光。顯影烘干得到具有陽模的硅片；（3）將PDMS按10：1的比例配比，混和均勻，在硅片陽模上涂覆8毫米厚，70攝氏度固化1小時；（4）將固化后PDMS從硅片上揭起，打孔；（5）用等離子清洗機對PDMS和載波片進行表面改性，將PDMS同載波片粘合；（6）3D電極是由銀漿注入電極溝道而成。將上述芯片在80℃烘箱內保存兩周時間，形成疏水的溝道表面，即可用來進行微液滴實驗。

2.微液滴實驗

將制備好的微流控芯片防止在顯微鏡物鏡下，利用電動注射泵從A口以10ul/s的速度注入油相，從B口以20ul/s的速度注入水相，等待10分鐘待芯片壓力達到平衡，即可穩定的在芯片的（a）區十字溝道處生成微液滴。在（b）區的對電極施加300V的直流電壓，對微液滴進行充電，在（c）區的對電極上施加200V的直流電壓，對帶點微液滴進行偏轉。

液滴的生成和運動通過帶有高速電荷耦合器件相機的倒置顯微鏡觀察并記錄。

2.1微液滴生成實驗結果

如圖3所示，為流聚焦型“十字形”直角溝道結構，上下兩路連續相為油相，中間分散相為水相。油相經過十字溝道交匯點與水相溝道匯合，形成高速層流，隨后層流進入右側溝道。由于右側溝道具有較窄寬度，而使得雷諾系數突然間提高，層流變成湍流，斷裂后形成油包水液滴。

通過調整水相的流速和油相的流速，能夠精確的控制生成的微液滴的尺寸。

2.2微液滴充電

如圖4所示，為微液滴分裂溝道在顯微鏡下觀察的照片。黑色區域為導電電極，上電極接電源正極，下電極接電源負極，上下電極見施加300V的電壓，兩對電極間距約150微米。液滴在電場中從左至右流過，會在電場中極化，靠近正電極的液滴表面會帶負電荷，靠近負電極的液滴表面帶正電荷。當液滴移動到右側，碰到和運動方向垂直的溝道壁時，會被溝道壁上的T形結構分裂成兩個子液滴。向上運動的子液滴保留了極化負電荷而帶負電，向下運動的子液滴保留了極化正電荷而帶正電，這樣就實現了對微液滴的充電。

通過調整對電極之間施加的電壓大小，可以精密的控制子液滴所帶電荷的電量。同時通過調整氣閥的壓力大小，可以控制液滴的大小，如圖3a、3b所示。

2.3帶電微液滴在電場下的偏轉

如圖5所示，分裂后的帶負電子液滴進入三維平行電極形成的平行電場區。如5（a）所示，如果在對電極之間不加電場，則帶電液滴從左向右流過，并不發生偏轉。如圖5（b）所示，當在兩平行電極間施加200V的電壓后，在平行電場的作用下，帶負電子液滴向正電極方向偏轉，偏轉的程度由所加電場的大小來決定。

通過偏轉的距離和施加電壓的大小，能夠計算出子液滴所帶電量的多少。

3.結論

以上實驗結果表明，利用微流控芯片技術能夠精確的對微液滴的尺寸，分布和帶電量進行控制。理論分析表明，通過測量在微流控芯片里偏轉電場的強度和子液滴偏轉距離，能夠計算出微液滴所帶電荷量的大小。

基于微流控芯片的微液滴生成，充電，偏轉系統方便直觀，造價低廉，非常適合用來開設相關大學物理實驗，讓學生直觀的觀察電荷在電場中的受力作用。

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作者簡介：

劉威（1979-），男，湖北天門人，副教授，博士，從事微流控芯片領域的研究工作。