交流電滲驅動水溶液的研究

趙俞杰

摘要：微流體的驅動與控制是微流控芯片中一項重要的關鍵技術，交流電滲驅動具有電壓低、不易產生氣泡、易與芯片相結合的優點，在微流控系統中具有重要的應用價值。本次實驗主要進行了交流電滲非對稱電極微泵驅動水溶液的研究。實驗顯示：隨著頻率從100hz增加到1000hz時，交流電滲速率隨著頻率的增加而增加，在500hz至1000hz時會出現速率最大值，在1000hz之后，速率會下降。大小電極寬度比較大，大小電極之間間隔較小，交流電滲速率較快。當溶液電導率為10μs/cm時，電滲速率最大。

關鍵詞：交流電滲驅動，微通道，水溶液

一、前言

1989年，德國Manz教授提出了全微分析系統（Micro Total Analysis System），主要是將實驗室中進樣（Sampling）、混合樣品（Mixing）、傳輸（Sample transport）、反應（Reaction）、分離（Separation） 及檢測（Detection）等功能，全部集成在芯片上，使其具有生化反應、分離與檢測等功能。使用少量的檢測試劑即可完成全自動的分析，減少人為操作造成感染的問題。

微流體的驅動與控制是微流控芯片中一項重要的關鍵技術，目前推動微流體的方式主要分為機械式微泵和非機械式微泵。近些年來，微機械泵取得了很大進展，但離完全市場化還有很長一段路，一方面由于微機械泵所能提供的流量和壓力非常有限，另一方面，機械式微泵有致命的缺陷，它存在活動部件，這嚴重影響機械式微泵的工作壽命，而且制作工藝復雜、價格昂貴，難于集成到實驗室芯片中，這些都縮小了機械式微泵進一步應用的空間。相反，非機械師微泵裝置構造簡單，無須機械裝置就能更有效推動流體，且容易控制，因此廣泛的被應用于微流體的傳輸上。

電滲泵是非機械式微泵重要分支。電滲泵就是依據電滲原理設計出來的，根據施加的電壓類型可以分為直流電滲微泵和交流電滲微泵。直流電滲微泵流量可調、范圍寬、無活塞、無閥、無動態密封、制造成本低和設計簡潔等優點。但是，由于需要在高壓的條件下完成，溶液容易發生電解反應，熱量大大產生，氣泡也隨之而生，進而對微流體流動的穩定性產生干擾。其次，超大電壓造成了一定的危害性，因此直流電滲泵的適用受到一定的限制。而交流電滲驅動具有電壓低、不易產生氣泡、易與芯片相結合的優點，在微流控系統中具有重要的應用價值。

1809 年，Ruess 在實驗中發現了電動現象（Electrokinetics），由此開始了早期的電滲流理論的研究。而交流電滲現象的出現較晚，直到 1998 年，A. Romas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，并由此才開始了對交流電滲微流體驅動的研究。2005 年，瑞士聯邦工學院 Cahill博士在對平行陣列電極施加相位差為 90°的連續電壓信號時，發現流體出現明顯的流動現象，依此原理設計的微泵即行波交流電滲微泵[1]。

交流電滲泵分為交流電滲非對稱電極微泵和行波交流電滲微泵。非對稱電極微泵加工簡單，所需電壓低、不易產生氣泡、易與芯片相結合。但是其缺點主要是流體流線不夠平直，且流體只能單向流動。行波交流電滲微泵不僅具有交流電滲非對稱電極微泵的優點，并且其流動穩定、平直、流速更大，可以實現對流體的雙向驅動等優點。其缺點是加工難度較高。本次實驗主要進行了交流電滲非對稱電極微泵驅動水溶液的研究。

二、實驗

為研究電極尺寸對交流電滲驅動的影響，設計4種不同尺寸的非對稱電極。電極尺寸如下表所示。芯片基底材料選擇石英玻璃，微電極由金制作。由中國科學院高能物理研究所加工。

（2）微通道的制作

微通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。將PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）溶液及引發劑按10∶1比例進行混合，充分攪拌，然后用真空泵除去溶液中的氣泡;最后，將溶液倒入微通道模板（中科院高能所加工），置于恒溫為 80℃的恒溫箱內，烘烤 120分鐘，使其固化。將制好的微通道取出，在微通道兩端打孔，用環氧樹脂將微通道與微電極板粘和在一起，制成交流電滲驅動芯片。

2實驗方法

在水溶液中添加KCl濃溶液，通過電導率儀（雷磁 DDSJ-308F，中國）來監測溶液的電導率。在溶液中添加直徑為 1微米的聚苯乙烯小球（天津市倍思樂色譜技術開發中心，中國）來作為示蹤粒子。由信號發生器（TGA1244，TTI公司，英國）產生交流電信號施加在微電極，驅動流體流動。使用顯微鏡（XSP-22AY，上海光學儀器六廠，中國）監測流體。

三、實驗結果與討論

（1）不同電極尺寸對交流電滲流速的影響

電導率 10μs/cm， 25℃， 微通道高度：500μm，交流電壓 3.5V;測量位置在電極上面9.6μm（A）：尺寸一;（B）： 尺寸二; （C）： 尺寸三，; （D）：尺寸四。

實驗顯示：隨著頻率從100hz增加到1000hz時，交流電滲速率隨著頻率的增加而增加，在500hz至1000hz時會出現速率最大值，在1000hz之后，速率會下降。電極尺寸的影響為：大小電極寬度比較大，大小電極之間間隔較小，交流電滲速率較快。

25℃， 通道高度：500μm，交流電壓 3.5V;電極尺寸四。測量位置在電極上面9.6μm電導率：（A）：5μs/cm（B）：10μs/cm（C）：20μs/cm。

實驗顯示：隨著溶液電導率的增加，電滲速率先增大后減小，并當溶液電導率為10μs/cm時，電滲速率最大。

參考文獻：

[1] 利用交流電滲透驅動流體與微粒子 P1-P6 研究生：吳俊賢 指導教授 ：呂宗行

[2] 交流電滲流在微管道之研究：傳輸與混合 P2-P4研究生 ： 翁啟能 指導教授 ： 楊瑞珍

[3] 微流體的電滲驅動及其相關技術的研究 博士研究生：楊胡坤 導師：王揚教授