任春艷, 馬圓圓, 王景冉, 師進(jìn)生

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院, 山東 青島 266109)

大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目是各高校為提高大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力而開展的科研項(xiàng)目,其主要實(shí)施方法是學(xué)生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室完成一些簡(jiǎn)單的科研項(xiàng)目,借以提高學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)和能力[1-2]。

微流控芯片(microfluidic chip)是一種以在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的技術(shù)產(chǎn)品,主要通過(guò)微機(jī)電加工技術(shù),在一塊若干平方厘米,以硅、石英、玻璃或高分子聚合物等材料的芯片上構(gòu)建出微管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等功能集成到一塊芯片上,利用可控流體在芯片中流動(dòng),實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的多種功能的技術(shù)平臺(tái)[3-5]。芯片的微型化與便攜化也限制了芯片微通道的尺寸,多為微米尺度,導(dǎo)致芯片中流體的雷諾數(shù)較小,各流體之間僅能依靠分子擴(kuò)散進(jìn)行混合,混合效果不好。但利用此系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)分析時(shí),芯片中大多有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,這就要求參加化學(xué)反應(yīng)的各種流體必須充分混合均勻,否則就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,如何實(shí)現(xiàn)微流控芯片中流體快速均勻混合,是目前微流控芯片領(lǐng)域研究的重要問(wèn)題[6-8]。

為此,我校材料化學(xué)專業(yè)大三的一些學(xué)生,走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)微流控芯片的設(shè)計(jì)及制作進(jìn)行了探討,在普通實(shí)驗(yàn)室中成功制作了10種不同結(jié)構(gòu)的玻璃微流控芯片,并探討了其混合效果。最終優(yōu)選出3種混合100%的芯片,為進(jìn)行下一步實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 芯片制作

1.1.1 儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)所用的勻膠鉻版(SG2506型,鉻層厚度145 nm,光膠類別S-1805,膠厚570 nm,等級(jí)Um)、拋光片(SG2506型)均來(lái)自長(zhǎng)沙韶光鉻版有限公司,其余試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器：紅色LED燈(E27,福建海佳照明科技有限公司)；大面積曝光機(jī)(KD-1,上海學(xué)澤光學(xué)機(jī)械有限公司)；數(shù)控超聲波清洗器(KQ-700DV,昆山市超聲儀器有限公司)；體視顯微鏡(SK2100P,深圳市賽克數(shù)碼科技開發(fā)有限公司)等。

1.1.2 溶液配制

(1) 顯影液：稱取5.2083 g NaOH溶于超純水中,并定容于1 000 mL容量瓶,即得0.5%的NaOH溶液。

(2) 除鉻液：準(zhǔn)確稱取25.000 0 g硝酸鈰銨,并溶于110 mL超純水中,再加入6.45 mL高氯酸(70%)即可。

(3) 玻璃刻蝕液：準(zhǔn)確稱取3.700 0 g NH4F 溶于182 mL 超純水中,再加入10 mL 濃硝酸,8mL HF 混合均勻,最后定容到200 mL。

1.1.3 掩膜的制作

光刻掩模的作用在于當(dāng)其受到光線照射時(shí),圖形區(qū)和非圖形區(qū)對(duì)光線的吸收和透射能力不同。利用曝光成像,就可以把掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到涂敷在基片表面的光膠層上。

首先在CorelDRAW12繪圖軟件中繪制出目標(biāo)圖形,并精確設(shè)置圖形各部分線條的長(zhǎng)短和粗細(xì)；將設(shè)計(jì)好的圖形用高分辨率的激光照排機(jī),在PET膠片上制得光刻掩膜。

1.1.4 芯片的制作

將玻璃基片放進(jìn)曝光機(jī)中,光刻掩膜置于基片上方后對(duì)基片進(jìn)行曝光；把曝光后的玻璃基片用0.5%的NaOH顯影后,依次用自來(lái)水、超純水洗凈；然后把基片放到烘箱中,110 ℃下烘30 min；然后把冷卻后的玻璃基片浸入除鉻液中,除去曝光后的鉻層,此時(shí)光刻掩膜上的圖形在玻璃基片上已清晰可見；將保護(hù)后基片浸入刻蝕液中,在45 ℃恒溫水浴條件下進(jìn)行刻蝕,刻蝕速度約為1 μm/min;刻蝕完成后取出玻璃基片,依次用高速自來(lái)水、超純水將其沖洗干凈；用玻璃刀切割基片和蓋片,并在基片上設(shè)計(jì)通道的進(jìn)出口處,用臺(tái)鉆打孔；將基片和蓋片清洗干凈后貼合,用電吹風(fēng)吹干,轉(zhuǎn)移到烘箱里烘干后,將己預(yù)鍵合的玻璃芯片轉(zhuǎn)移到馬弗爐里進(jìn)行高溫鍵合6 h,然后自然冷卻即可。

從圖1可以看出,經(jīng)過(guò)高溫鍵合后的芯片刻蝕的通道并沒(méi)有發(fā)生堵塞,鍵合結(jié)果良好。

圖1 鍵合后的玻璃芯片

用超能膠把自制的儲(chǔ)液槽粘到鍵合后的玻璃芯片的進(jìn)出口處,這樣玻璃微流控芯片即可制作完成,如圖2所示。

圖2 制作完成的玻璃微流控芯片

1.2 芯片設(shè)計(jì)及混合效果的測(cè)試

1.2.1 儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備：恒流泵(TS2-60,蘭格恒流泵有限公司)；體視顯微鏡(SK2100P,深圳市賽克數(shù)碼科技開發(fā)有限公司)；電子天平(FA1204B,上海越平科學(xué)儀器有限公司)。所有試劑均為分析純。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文構(gòu)建微流控芯片的混合實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)分析其混合性能。實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、體視顯微鏡(配有電子目鏡)、恒流泵組成。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 利用恒流泵以50 μL/min的流速分別將NaOH溶液和酚酞的乙醇溶液通過(guò)2個(gè)入口引入芯片；

(2) 調(diào)節(jié)體視顯微鏡的亮度和焦距,使計(jì)算機(jī)中清楚地顯示芯片中流體顏色的變化；

(3) 待流體流動(dòng)穩(wěn)定后,即粉紅色流體寬度無(wú)明顯變化,利用 CCD 進(jìn)行圖像拍攝并保存。

實(shí)驗(yàn)中使用的酚酞是一種酸堿指示劑,在堿性條件下,其顏色會(huì)由無(wú)色變?yōu)榉奂t色。利用酚酞的這種顏色變化特性,借助CCD拍攝兩流體在微通道中的顏色變化,然后根據(jù)微通道中粉紅色液流的寬度就可以計(jì)算出微混合器的混合程度[9]。公式如下:

2 結(jié)果與討論

在已經(jīng)掌握玻璃微流控芯片制作方法的基礎(chǔ)上,學(xué)生查閱了大量文獻(xiàn),分組討論后,設(shè)計(jì)并制作了10種微流控芯片,并探討了每一種芯片的混合效果,為下一步進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 微流控芯片的設(shè)計(jì)

圖3列出了10種微流控芯片的設(shè)計(jì)圖。

圖3 微流控芯片設(shè)計(jì)圖

圓形空腔結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)這3種微流控芯片中,兩流體均分別通過(guò)“T”形入口經(jīng)擠壓后流流入主通道,分別流經(jīng)圓形空腔處、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)處和矩形結(jié)構(gòu)處時(shí),圓形空腔內(nèi)設(shè)置的“W”形障礙可能會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響,而網(wǎng)格結(jié)構(gòu)處和矩形結(jié)構(gòu)中兩股流體會(huì)分散成多股,也可能會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。另外3種芯片均在出口處設(shè)置了連續(xù)的匯聚-發(fā)散部分,這部分結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)寬度產(chǎn)生擠壓和擴(kuò)大,可能會(huì)促進(jìn)流體混合。

共制作了3種流體通道是菱形結(jié)構(gòu)的微流控芯片。第一種菱形結(jié)構(gòu)微流控芯片中,兩流體分別通過(guò)“T”形入口流入通道,流經(jīng)菱形結(jié)構(gòu)處時(shí),流體會(huì)分散成兩股相向而流,在菱形結(jié)構(gòu)的四周還設(shè)置了扇形的空腔,此空腔的寬度和菱形通道的寬度相差較大,使流體液流寬度產(chǎn)生變化促進(jìn)混合,空腔內(nèi)設(shè)置的“S”形障礙也可能會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響,兩流體相向流經(jīng)一段距離后在兩菱形的交點(diǎn)處匯聚,之后再次相向而流,如此重復(fù)以上過(guò)程加強(qiáng)混合。

由式(11)第2式知，α的最大值αmax=max{90- δmin，δmax- 90}，其中δmin、δmax是δ的最小值、最大值。若簡(jiǎn)記

第二種是扇形空腔菱形微混合器,與第一種相比,菱形結(jié)構(gòu)有所改變,兩流體通過(guò)“T”形入口流入通道后,流經(jīng)菱形結(jié)構(gòu)處時(shí)不再分散成兩股流體相向而流,而是匯聚成一股流體,這樣就避免了第一種結(jié)構(gòu)中兩流體分離的問(wèn)題；另外在菱形結(jié)構(gòu)的四周也設(shè)置了多個(gè)扇形的空腔,此空腔的寬度和菱形通道的寬度相差較大,使流體液流寬度產(chǎn)生變化促進(jìn)混合,通道中存在的多處拐角也有可能會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。

第三種是錯(cuò)位菱形結(jié)構(gòu)微流控芯片,與前兩種相比,僅保留了類似的菱形結(jié)構(gòu),流體主通道由一段一段的短通道組成,每段短通道連接的時(shí)候都相互錯(cuò)開,通道拐角處也是相互錯(cuò)開的,設(shè)計(jì)原理是利用通道的不均勻性來(lái)增強(qiáng)混合。

由于流體在通道中沿著圓周曲線流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力,離心力會(huì)導(dǎo)致微通道中的流體有偏向通道外壁流動(dòng)的趨勢(shì),這樣就會(huì)在通道的上下兩端產(chǎn)生2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的渦流,一個(gè)推動(dòng)流體順著通道往前流動(dòng),另一個(gè)促使流體向和通道外壁垂直的方向流動(dòng),這種渦流運(yùn)動(dòng)可以顯著提高流體的混合程度,達(dá)到快速混合的目的。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了半圓結(jié)構(gòu)微流控芯片。

連續(xù)半圓結(jié)構(gòu)微流控芯片是在半圓結(jié)構(gòu)微混合器的基礎(chǔ)上,增加了半圓結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù),使流體的混合距離變長(zhǎng),產(chǎn)生的渦流運(yùn)動(dòng)更是會(huì)極大地促進(jìn)流體混合。

圓柱結(jié)構(gòu)微流控芯片結(jié)合了匯聚-分散結(jié)構(gòu)與半圓結(jié)構(gòu),并用直通道連接兩半圓結(jié)構(gòu),使整體結(jié)構(gòu)看起來(lái)類似圓柱,匯聚-分散結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了流體間的擾動(dòng),半圓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)流體混合產(chǎn)生影響。

扇形結(jié)構(gòu)微流控芯片結(jié)合了匯聚-分散結(jié)構(gòu)與半圓結(jié)構(gòu),并把半圓結(jié)構(gòu)累積做成扇形,匯聚-分散結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了流體間的擾動(dòng),半圓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)流體混合產(chǎn)生影響。

2.2 芯片的混合效果

對(duì)上述10種不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片,依次進(jìn)行了混合效果實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 微流控芯片混合效果圖

由扇形空腔障礙式結(jié)構(gòu)、錯(cuò)位菱形結(jié)構(gòu)和半圓結(jié)構(gòu)這3種微流控芯片混合圖中可見,在流經(jīng)多個(gè)混合單元后,粉紅色液流的寬度較寬,這就表示NaOH和酚酞的混合程度提高,根據(jù)計(jì)算,3種芯片的混合程度分別是75%、76.9%和72.2%,說(shuō)明這3種結(jié)構(gòu)的微混合器混合性能較好。

混合效果最好的是連續(xù)半圓結(jié)構(gòu)、圓柱結(jié)構(gòu)和扇形結(jié)構(gòu)的3種微流控芯片。由圖4可以看出,液體在分別流經(jīng)多個(gè)連續(xù)半圓結(jié)構(gòu)混合單元、多個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)混合單元以及第一個(gè)扇形結(jié)構(gòu)混合單元后,粉紅色液流幾乎充滿了整個(gè)通道,由公式計(jì)算可得該3種結(jié)構(gòu)的微混合器混合效果達(dá)到了100%,這表明氫氧化鈉和酚酞已基本混合均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分別設(shè)計(jì)并制作了圓形空腔結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等10種微流控芯片,然后利用酚酞遇堿變粉紅色的特性,向微流控芯片中通入NaOH的水溶液和酚酞的乙醇溶液,根據(jù)微通道中粉紅色液流的寬度,定量測(cè)定并計(jì)算了各種微流控芯片的混合性能。最終優(yōu)選出3種混合性能最好的微流控芯片為連續(xù)半圓結(jié)構(gòu)、圓柱結(jié)構(gòu)、扇形結(jié)構(gòu)微流控芯片。通過(guò)微流控芯片的設(shè)計(jì)制作,學(xué)生提高了動(dòng)手能力,同時(shí)大大鍛煉了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力,為學(xué)生走上科研之路奠定了良好的基礎(chǔ)。