壓電基片上微流分析器件研究

章安良，董良威

(1. 武夷學院 微電子系，福建 武夷山 354300；2.常州工學院 電子系， 江蘇 常州 213022)

0 引言

微流分析器件可以實現常規實驗室所完成的生化分析功能，它將常規實驗室所用到的實驗單元集成在微小基片上[1]。與常規實驗室的生化分析相比，微流分析器件上進行的生化分析有較多優點，如：較小的生化試劑消耗量，較小的分析時間，微流分析器件體積小及較小的人為引入誤差等[2-4]。因此，微流分析器件引起了國內外專家的重視，并得到快速發展。每年都有大量的微流分析器件相關文獻報道，已經滲透到眾多學科，在毒品檢測、食物安全、DNA分析、單細胞分析、環境監測、醫療即時診斷等領域獲得廣泛應用[5-7]。

微流分析器件所用的材料與微流分析器件的發展緊密相關，從較早出現的硅、玻璃等為基片材料[8-9]，發展到聚二甲基硅氧烷(PDMS)等有機聚合物材料[10]，紙基片材料[11]和塑料材料[12]等。PDMS具有好的光學、機械特性，易成型且有較好的生物相容性等優點，被廣泛用于制作微流分析器件的材料[13]。

制作PDMS微流分析器件的常規方法主要有軟光刻和模鑄法，大多需要采用微機電系統(MEMS)技術實現微流操作單元的制作;采用等離子體鍵合儀進行密封鍵合，這需要昂貴的儀器設備，對于普通實驗室研究有一定的局限性[14]，因此,需要研究一種工藝簡單、無需昂貴設備的PDMS微流分析器件制作方法。本文提出了一種簡單、低成本、一次成型的PDMS微流分析器件的制作方法，無需MEMS設備和鍵合工藝步驟，適用于普通實驗室制作微流分析器件進行微流分析研究。由于聲表面波(SAW)有較好的操控微流能力，因此，SAW已廣泛應用于微流分析進行各種微流操作[15-17]。為此，本文探索在壓電基片上集成微流分析器件，利用SAW能量輻射引起的反應液溫度上升來實現微流生化反應，滿足有一定溫度要求的微流分析，拓展了其應用場合。

1 實驗

激發SAW的叉指換能器(IDT)采用集成電路工藝制作，對其施加適當頻率(IDT聲同步頻率)的電信號時，IDT激發SAW，當遇到壓電基片上微流體時，SAW向微流體輻射能量，提高微流體溫度。由于SAW輻射微流體的溫度特性[18]已有報道，故本文對其不再重復實驗。

為了降低微流分析器件的制作成本，提出的工藝簡單、成本低、無需鍵合的壓電基片上微流器件制作工藝如圖1所示。

圖1 壓電基片上微流器件制作工藝

為觀察壓電微流器件微流操作功能，構建實驗裝置如圖2所示。

圖2 微流輸運及紙基器件上微流反應的實驗裝置

圖2中，信號發生器(SP1461)用于產生IDT聲同步頻率的正弦波信號，并由功率放大器(TSA002A)放大，放大后的信號加載到IDT。試劑和反應液通過進樣器進樣，微流操作由帶高靈敏度電荷耦合器(DCE-2)的顯微鏡進行觀察，觀察結果儲存于與其相連接的計算機中。MDVNT軟件用于攝像控制和圖像處理。

2 實驗結果與討論

為驗證所制作的微流器件功能，先對微流器件進行微流體輸運實驗。采用紅墨水溶液作為實驗對象，采用進樣器1在微流器件輸入口進樣紅墨水溶液，觀察紅墨水溶液在微流器件中的輸運。圖3為紅墨水溶液在所制作的微流器件中輸運的視頻截圖。

圖3 紅墨水在微流器件中輸運的視頻截圖

圖3(a)為微通道入口未注入紅墨水溶液狀態。圖3(b)為采用進樣器1將紅墨水進樣到微通道入口。圖3(c)～(e)為紅墨水溶液進一步在微通道內輸運。圖3(f)為紅墨水溶液經微通道輸運到輸出口狀態。由圖3可知，在所研制的微流器件上可以實現微流輸運，驗證了微流器件的功能。

將微流器件貼合于壓電基片，可以充分發揮SAW的微流特性。本文采用SAW作用于微流，輻射能量，產生熱效應，提高微流反應溫度。將空白濾紙在質量分數為0.8%淀粉溶液中浸泡2～3 s后移出，常溫下自然晾干，并貼合在IDT旁。所制作的PDMS微流器件貼合于濾紙側面。將0.2 mol/L過二硫酸銨溶液和0.2 mol/L碘化鉀溶液分別通過進樣器1、2進樣到微流器件入口，并在微通道內混合，經微通道出口到達濾紙，與淀粉發生顯色反應。同時，在IDT上施加功率27.8 dBm的電信號，激發SAW，輻射的SAW能量提高了顯色反應液的溫度。圖4為0.2 mol/L過二硫酸銨溶液和0.2 mol/L碘化鉀溶液在微通道內輸運，并在濾紙上發生顯色反應的視頻截圖。

圖4 碘化鉀溶液和過二硫酸銨溶液在微通道內輸運，并在濾紙上發生顯色反應的視頻截圖

圖4(a)為反應液未到達微通道入口狀態。圖4(b)～(d)為0.2 mol/L的碘化鉀溶液輸入微通道入口視頻截圖，0.2 mol/L的過二硫酸銨溶液由進樣器2經另一入口進樣輸入；兩溶液進樣到微通道后，在微通道內輸運、混合，到達出口，并與濾紙中淀粉進行顯色反應。圖4(e)為濾紙浸入淀粉溶液，移出并晾干后的狀態。圖4(f)為碘化鉀溶液和過二硫酸銨溶液的混合液經微通道輸運及混合后到達輸出口的狀態(為了便于輸出到濾紙基片，微通道出口進行了部分切除)。圖4(g)為混合液進一步擴大，在一定體積(1.5 μL)時，混合液輸送到濾紙基片上(見圖4(h))，并與濾紙基片上淀粉發生顯色反應(見圖4(i))。由圖4可知，壓電基片上可以集成微流器件，完成微流體輸運、混合操作，并在SAW作用下，為濾紙基片上反應液提供適當的溫度。

為進一步分析觀察濾紙基片上淀粉顯色反應程度，對濾紙基片上顯色反應前后的圖4(e)、(i)進行灰度計算，圖5為其灰度圖。

圖5 顯色反應前、后灰度圖

由圖5可知，顯色反應后的灰度值明顯下降。

3 結論

本文提出了一種新的微流器件制作方法，詳細描述了其制作工藝過程，并在壓電基片上集成濾紙基片，反應液通過微流器件進行輸運、混合，到達濾紙基片，實現淀粉顯色反應。所提出的微流器件制作方法的主要優點是制作工藝簡單，成本低，無需昂貴的MEMS技術和微流器件的等離子體鍵合設備，為普通實驗室制作微流器件進行微流分析創造了條件。采用所研制的微流器件實現了紅墨水溶液輸運，并在聲表面波能量輻射下，實現了濾紙上淀粉顯色反應。由本文工作可得如下結論：

1) 提出的微流器件制作工藝可以制作微流器件，并能實現微流分析。

2) 研制的微流器件可以集成于壓電基片上，并可借助聲表面波的能量輻射作用，為微流分析提供反應溫度條件。