非對稱交流電滲驅動微流體技術的研究

李岸

摘 要：微流體驅動與精確控制是微流控芯片系統的一個重要分支。本項目開展了非對稱交流電滲驅動水溶液的研究。設計加工了以石英玻璃為襯底，金做非對稱微電極材料的微電極芯片。選擇了聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制備微通道。研究了非對稱交流電滲驅動，分別探究了電極尺寸，電導率，交流電頻率以及電壓對水溶液交流電滲驅動的影響。實驗成果為微流體的精確驅動與控制提供了研究依據。

關鍵詞：交流電滲；微流體；非對稱交流電極排列

中圖分類號：TG39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0254-03

自20世紀70年代微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術取得重大突破以來，微流控系統的相關研究就受到了科技界的密切關注。微流控系統是一項主要研究化學和生物的高新技術。通過對系統中微通道內流體的操控，微流控系統可以在芯片中完成包括采取樣本、反應或分離樣品，分析檢測物質在內的多種功能。輔以類如微泵、微閥等微流體控制的實驗器件。微流控芯片系統有著廣泛的適用性和極高的工業自動化潛力。

發展成熟的驅動與控制微流體技術，一直是微流控系統中一項極為關鍵的技術難題。微體控系統中的器件特征尺寸小于1mm，而微流控系統要求微通道內的微流體要得到精確控制。微流體的驅動技術已經成為芯片實驗室研究的重要分支之一。

隨著微流控技術的迅速發展，流體力學界發展出了多種驅動微流體的方法，其中最常見的有微泵驅動，即壓力驅動法，和電滲驅動。雖然歷經多年的發展，微泵驅動的方法卓有成效，一些集成流量傳感器的做法已經可以做到一定程度上對微流體的精確控制，但微機械泵中所包含的可動微型部件仍然存在制作工藝復雜、價格昂貴的問題10。而基于電場機制操作微流體可以達到低耗、高效、易于集成的特點。因此，流體力學界近年開始著重關注基于電場機制操縱微流體的方法。

基于電場機制操縱微流體主要分為兩類，即直流電滲驅動（Direct Current Electroosmosis，DCEO）與交流電滲驅動（Alternating Current Electroosmosis，ACEO）。自上世紀末開始，對于交流電滲的研究數量持續增加，引起了廣泛關注。交流電滲驅動的微流體流動穩定、流線平直、不易發生電解反應、驅動電壓小（通常是幾伏）、不易產生氣泡、容易集成到芯片實驗室系統中。相比之下，以直流電滲驅動則很多時候需要高至千伏高壓，溶液也更容易發生電解反應、產生大量電熱和氣泡，這些特征影響了微流體流動的穩定性。且由于電壓很大，直流電滲驅動有一定的安全隱患，因此其適用范圍受到了一定的限制。綜合來看，在微流體驅動技術領域中，交流電滲驅動微流體相比直流電滲更具優勢，被研究者更加關注。目前在低頻條件下驅動低電導率流體，交流電滲已經是主要驅動方式。

交流電滲現象發現于1998年，西班牙科學家A.Romas等在實驗中發現了交流電滲現象，證明了電滲現象并非只存在于直流電場中，由此學術界開始了對交流電滲微流體驅動的研究。可以看到的是，這個時間點往后針對交流電滲的研究越來越多，僅僅7年時間內針對三大交流電滲流速的公式就被給出。A.Romas本人在1999年提出了經典交流電滲流流速公式19，劍橋大學A.B.D Brown在2000年提出了非對稱經典交流電滲流流速公式，以及2005年瑞士邦聯工學院的Brian P.Cahill等人給出了行波交流電滲流的流速公式。在2008年韓國科學家Sangmo Kang和Suh提出了三電層模型。Sangmo又在2009年把電極表面粗糙度考慮到影響因素中，由此修正了電滲流速的部分理論。2010年中國哈爾濱工業大學機電工程學院，浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室的姜洪源，李珊珊等人探究了交流電滲的流速，會受到非對稱電極表面微觀形貌的影響，并由此再次修正了部分理論。在理論探究之外，SchaSfoort等人1999年在Science期刊上發表的論文中，提出了一種“流體場效應晶體管（FlowFET）”。該流體場效應晶體管的功能與微電子中的場效應晶體管相似，有能力通過電滲驅動切換并控制微流體在微通道中的流動。這種控制主要是通過施加電勢差來實現的。

本課題研究的目的是在分析國內外交流電滲驅動微流體研究的基礎上，以非對稱電極為研究對象，對影響非對稱電極驅動交流電滲的主要因素進行分析。實驗目的在于為非對稱交流電滲技術在微流體驅動和控制方面的進一步應用提供理論和實驗基礎。

1 實驗

1.1 芯片設計加工

芯片設計如圖1所示，由中國科學院高能物理研究所加工。芯片選用石英玻璃作為襯底材料，以金做為電極材料以保證導電性。實驗選擇了PDMS，即聚二甲基硅氧烷（Dow Corning Sylgard-184，美國）材料制備高度500μm，寬度800μm的微通道，并用環氧樹脂粘連微通道與微電極芯片以形成完整的交流電滲驅動芯片。

1.2 實驗方法

實驗使用水溶液進行交流電滲驅動實驗，在水溶液中添加了KCl來調節電導率，水溶液電導率由電導率儀（DDSJ-308F，上海雷磁公司）測量，添加直徑為1微米的聚苯乙烯小球（7-3-0100，天津市倍思樂色譜技術開發中心）作為示蹤粒子。實驗將溶液注入交流電滲驅動芯片微通道內，使用信號發生器（TGA1244，TTi公司，英國）在微電極上施加正弦交流信號，使用顯微鏡（XSP-22AY，上海光學儀器六廠）來觀察微流體運動情況。將粒子運動情況記錄為視頻，然后將視頻轉化為圖片，處理粒子運動數據；選擇了大電極外側30μm以內區域內的粒子來測量流體速度，實驗所用CCD為25幀/秒。

2 結果與討論

圖2為交流電滲驅動流體示意圖，由圖中可以清楚看到施加交流電壓后，紅圈處粒子明顯運動。圖3顯示了不同尺寸下交流電滲驅動的實驗結果。尺寸1中微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時達到峰值3.889±1.179μm/s；尺寸2中微流體的流速在交流電頻率為900Hz時達到峰值3.778±1.069μm/s；尺寸3中微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時達到峰值3.556±1.152μm/s。對比可知，交流電滲驅動水溶液的流速在尺寸1中最快，但是尺寸比例對交流電滲驅動速率的影響并不顯著。

圖4與圖3（a）顯示了不同電導率下交流電滲驅動的實驗結果。導電率為6.0μs/cm條件下，微流體的流速在交流電頻率為300Hz時達到峰值5.222±1.217μm/s；導電率為10.04μs/cm條件下（即圖3（a）），微流體的流速在交流電頻率為1000Hz時達到峰值3.889±1.179μm/s；導電率為20.3μs/cm條件下，微流體的流速在交流電頻率為500Hz時達到峰值4.000±0.824μm/s。對比可知，交流電滲驅動水溶液在導電率為6.0μs/cm條件下流速最快。

圖5顯示了以電壓為變量交流電滲驅動的實驗結果。微流體流速在交流電電壓為5V時達到峰值3.222±1.138 μm/s。觀察圖像可知，交流電滲驅動水溶液流速隨著電壓增長而持續增長。

參考文獻

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