金士杰 楊雅喃 田 鑫 史思琪 林 莉

(大連理工大學(xué)無損檢測研究所 大連 116085)

0 引言

微流控芯片是將樣品預(yù)處理、分離、檢測和分析過程集成在幾平方厘米的小尺度芯片上，具有小體積、低消耗、多功能集成、高質(zhì)量傳輸、高分析通量等優(yōu)異性能[1-2]，在生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、致病菌檢測、食品安全檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。流道作為微流控芯片的主要結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)堵塞、破邊、斷裂或制作參數(shù)不準(zhǔn)等問題，將導(dǎo)致流道尺寸改變，而2%的微小偏差會造成16%的流體阻力變化[5]。因此，微流控芯片流道的特征變化是制備和應(yīng)用過程中的關(guān)注重點(diǎn)。

微流控芯片體積較小，且流道尺寸處于微米量級，使得難以直接獲取流道特征。目前，用于微流控芯片的檢測技術(shù)主要有質(zhì)譜檢測、熒光檢測、電化學(xué)檢測、化學(xué)發(fā)光檢測等[6-7]，同時常用光學(xué)技術(shù)分析流道特征。光學(xué)相干層析成像在表征微流控芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時，可以確定流道高度、寬度與橫截面積等關(guān)鍵參數(shù)，與激光掃描共聚焦顯微鏡檢測結(jié)果相比，流道高度測量誤差僅為4%[5]。利用數(shù)字全息顯微檢測技術(shù)可獲得流道寬度和表面缺陷信息，寬度80 μm流道的測量結(jié)果為78.7 μm[8]。利用微反射特性分析不同區(qū)域反射率，也可得到微流控芯片流道的三維圖像，且流道形狀、尺寸與設(shè)計值一致性較好[9]。

采用光學(xué)技術(shù)表征微流控芯片流道結(jié)構(gòu)需要精密、高成本的光學(xué)儀器和訓(xùn)練有素的技術(shù)人員。相比之下，超聲檢測技術(shù)具有成本低、適用性廣和數(shù)字化、自動化成像等優(yōu)勢。其中，超聲C掃描技術(shù)利用存在聲阻抗差異界面的反射回波，高分辨力呈現(xiàn)界面信息[10]，已被廣泛應(yīng)用于航空航天[11]、鐵路運(yùn)輸[12]和電氣工程[13]等領(lǐng)域，并拓展到多邊形蜂窩結(jié)構(gòu)[14]、擴(kuò)散焊接頭[15]等復(fù)雜結(jié)構(gòu)評價。結(jié)合超聲C 掃描技術(shù)有助于辨識結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微細(xì)特征，如利用中心頻率20 MHz 探頭可檢出鈦合金擴(kuò)散焊焊縫內(nèi)部寬度200 μm 以上的缺陷[15]。因此，對微流控芯片實施C 掃描檢測，有望獲得流道特征詳細(xì)信息。

本文應(yīng)用超聲C 掃描技術(shù)分析微流控芯片流道特征，比較了不同中心頻率探頭與掃描步進(jìn)下的流道辨識結(jié)果，并進(jìn)行定量評價。在此基礎(chǔ)上，給出不同寬度流道，以及有無氣泡時的C掃描圖像，驗證方法可行性。

1 超聲C掃描原理

圖1 給出了超聲C 掃描示意圖。其中，聚焦探頭通過逆壓電效應(yīng)激勵產(chǎn)生超聲信號，利用水層作為耦合劑傳遞至微流控芯片，并在芯片內(nèi)部傳播。探頭在芯片上方沿著X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動，通過控制Z軸使焦點(diǎn)位于流道表面。設(shè)置掃查范圍，使探頭沿著X軸和Y軸按規(guī)定路徑運(yùn)動，覆蓋芯片范圍。當(dāng)超聲信號在傳播過程中遇到流道與芯片的異質(zhì)界面時，根據(jù)材料聲學(xué)特性差異，部分能量將會發(fā)生反射，其接收信號幅值不同于與其他區(qū)域。

圖1 微流控芯片超聲C 掃描示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic C-scan for microfluidic chip

式(1)中，r為界面的聲壓反射率，Pr為反射波聲壓，Po為入射波聲壓，Z1和Z2分別為微流控芯片與流道內(nèi)部介質(zhì)的聲阻抗。

基于一定步進(jìn)沿X軸和Y軸移動探頭，采集每個位置點(diǎn)的A 掃描信號，可得指定區(qū)域的超聲C 掃描圖像。像素點(diǎn)顏色反映所選閘門內(nèi)的信號幅值大小，即可獲得流道形狀等信息，并實施特征分析和定量檢測[16-18]。

2 實驗樣品與設(shè)備

如圖2 所示，實驗對象為兩個具有不同流道寬度和布局的微流控芯片試樣。微流控芯片上層材料為聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)，下層材料為有機(jī)玻璃，二者以等離子鍵合。微流控芯片尺寸為50 mm×20 mm，芯片、PDMS 層、有機(jī)玻璃層的平均厚度如表1所示。

表1 微流控芯片各部分平均厚度Table 1 Average thickness of each part in microfluidic chips(單位：mm)

圖2 微流控芯片試樣及流道示意圖(單位：μm)Fig.2 Microfluidic chips and schematic diagrams of channels (Unit: μm)

在此基礎(chǔ)上，使用水浸超聲C 掃描檢測系統(tǒng)，以及15 MHz、10 MHz 和5 MHz 脈沖水浸聚焦探頭(圖3)，進(jìn)行超聲信號發(fā)射和接收，并執(zhí)行C 掃描檢測，3 個探頭的焦距分別為54 mm、36 mm 和64 mm。調(diào)整探頭到微流控芯片的垂直距離，使之處于焦點(diǎn)處，此時回波幅值最高。以中心頻率10 MHz 探頭為例，圖4給出了有無微流控芯片時采集的超聲A掃描信號。其中，W0為微流控芯片的上表面回波，W1為微流控芯片的底面回波，即后續(xù)C掃描成像的關(guān)注信號；W2為無微流控芯片時的水槽底面墊板的上表面反射回波，W3為水槽底面墊板的下表面反射回波。對比可見，當(dāng)在調(diào)平裝置上放置微流控芯片實施C 掃描成像時，來自水槽底面的反射波因多界面衰減而難以捕捉。此外，利用脈沖反射回波法可以測量得到試樣1 與試樣2 的平均聲速分別約為1300.7 m/s 與1070.4 m/s。

圖3 不同頻率聚焦探頭Fig.3 Focusing probes with different frequencies

圖4 10 MHz 檢測頻率時有無微流控芯片的超聲A 掃描信號Fig.4 Ultrasonic A-scan signals with and without microfluidic chip at the detection frequency of 10 MHz

3 實驗結(jié)果及分析

超聲C 掃描結(jié)果與探頭類型、掃描步進(jìn)等檢測參數(shù)直接相關(guān)?；诖?，本文對比不同檢測參數(shù)下的微流控芯片C掃描圖像，并分析流道表征結(jié)果。

針對試樣1，選用中心頻率5 MHz 與10 MHz的聚焦探頭，掃描步進(jìn)0.1 mm，圖5 給出對應(yīng)超聲C 掃描圖像。結(jié)果顯示，中心頻率5 MHz 探頭所得圖像較為模糊；相比之下，隨著檢測頻率提升，取向多變的流道輪廓表征效果得到改善。一方面，中心頻率10 MHz 探頭的焦斑直徑均約為0.89 mm，而5 MHz 探頭焦斑直徑達(dá)到1.46 mm，探頭焦斑增大導(dǎo)致掃描精度和分辨能力降低。另一方面，探頭中心頻率也會影響微流控芯片的C 掃描圖像分辨力，隨著探頭頻率增加，產(chǎn)生的超聲波波長減小，可檢出的流道尺寸變小，則表征效果提升。

圖5 不同檢測頻率下的試樣1 超聲C 掃描圖像Fig.5 Ultrasonic C-scan images with different detection frequencies for Sample 1

圖6 給出了C 掃描圖像中流道橫截面區(qū)域的顏色幅值變化曲線。對比可見，5 MHz 探頭檢測時的流道間峰谷值波動較小，而10 MHz 檢測頻率下的曲線起伏明顯，且相對更加平滑，有助于確定流道數(shù)量及變化。在此基礎(chǔ)上，利用峰值對流道間距實施定量。試樣1 中8 條流道之間的鄰近中心間距設(shè)計值是2.0 mm，10 MHz 探頭的流道中心間距測量值為1.90～2.10 mm，測量誤差不超過5%。中心頻率5 MHz 探頭的流道中心間距測量值為1.70～2.40 mm，測量誤差最大達(dá)到20%。因此，應(yīng)盡量選擇高頻(如10 MHz 以上)、小焦斑探頭檢測微細(xì)尺寸流道，以提升流道特征辨識能力。

圖6 不同檢測頻率C 掃描圖像流道橫截面幅值變化曲線Fig.6 Amplitude variation of channel crosssection in C-scan images with different detection frequencies

掃描步進(jìn)主要影響成像效率和檢測效果。研究中利用中心頻率10 MHz 探頭，分別采用0.5 mm、0.2 mm和0.1 mm掃描步進(jìn)，對流道寬度200 μm的試樣1進(jìn)行超聲C掃描檢測，結(jié)果如圖7所示。在不同掃描步進(jìn)下，均可辨識流道特征變化，但表征效果存在差異。圖8 給出了不同掃描步進(jìn)下的流道橫截面的顏色幅值變化曲線?？紤]到相同范圍內(nèi)的實際采樣點(diǎn)數(shù)不同，則通過插值使得各曲線點(diǎn)數(shù)一致，隨后進(jìn)行平滑處理。結(jié)果顯示，雖然檢測頻率和增益等參數(shù)相同，但流道寬度僅為200 μm，掃描步進(jìn)越大，越難以捕捉到流道區(qū)域的峰值信息，導(dǎo)致C掃描圖像分辨力降低。隨著掃描步進(jìn)減小，曲線起伏變化明顯，步進(jìn)0.1 mm 時的曲線峰值較步進(jìn)0.2 mm提高50.7%，較步進(jìn)0.5 mm 提高63.8%。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)有無流道處的聲阻抗差異，讀取曲線中的相鄰峰值間隔，對流道中心間距實施定量。步進(jìn)0.1 mm時的流道中心間距測量值為1.90～2.10 mm，測量誤差不超過5%。掃描步進(jìn)為0.2 mm 時，流道中心間距測量值為1.80～2.00 mm，測量誤差最大達(dá)到10%。因此，實際檢測中應(yīng)選擇小的掃描步進(jìn)檢測微細(xì)尺寸流道，以提高流道表征分辨力和定量精度。

圖7 不同掃描步進(jìn)下的試樣1 超聲C 掃描圖像Fig.7 Ultrasonic C-scan images with different scanning intervals for Sample 1

圖8 不同步進(jìn)C 掃描圖像流道橫截面幅值變化曲線Fig.8 Amplitude variation of channel cross-section in C-scan images with different scanning intervals

比較而言，超聲C 掃描步進(jìn)大，可以縮短成像用時，提高成像效率，但易出現(xiàn)漏檢或流道邊緣表征不清晰等問題，導(dǎo)致定量誤差增大；減小掃描步進(jìn)有助于提高圖像分辨力和流道表征效果。實際檢測中應(yīng)綜合考慮檢測效率與分辨力，合理選擇C 掃描參數(shù)。

微流控芯片使用過程中可能會出現(xiàn)流道堵塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致性能下降。研究中將存在氣泡的水注入試樣2，以模擬堵塞流道?？紤]試樣2 中流道寬度最窄處為80 μm，故選用更高中心頻率的15 MHz聚焦探頭，步進(jìn)0.1 mm 實施超聲C 掃描，圖9 給出了原始狀態(tài)和堵塞狀態(tài)下的C 掃描圖像。根據(jù)圖2給出的流道布局，試樣2 左側(cè)3 條流道寬度依次為80 μm、150 μm 與300 μm。相同檢測頻率下，隨著流道寬度變窄，超聲散射機(jī)制改變且檢測靈敏度下降，使得寬度較小的流道開始難以清晰識別。對比可見，流道3 可以辨識，而流道2 與流道1 幅值降低，特征呈現(xiàn)逐漸不明顯。同時，氣泡的存在，使得圖9(b)中流道寬度發(fā)生變化，左側(cè)直流道與右側(cè)蛇形流道中多處成像區(qū)域變窄，反映了因氣泡堵塞造成的流道特征改變。

圖9 試樣2 超聲C 掃描圖像Fig.9 Ultrasonic C-scan images of Sample 2

最后，現(xiàn)有結(jié)果是針對注水后的靜態(tài)試樣實施超聲C 掃描檢測，沒有考慮流體介質(zhì)在流道傳輸過程中的多普勒效應(yīng)。后續(xù)將對工作狀態(tài)下的微流控芯片進(jìn)行超聲檢測與定量分析，以提升方法適用性。

4 結(jié)論

本文將超聲C 掃描技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片流道特征分析，并對比分析了不同檢測條件下的成像結(jié)果。當(dāng)聚焦探頭中心頻率不低于10 MHz、掃描步進(jìn)不超過0.1 mm 時，可以從C 掃描圖像中辨識流道特征，且流道中心間距測量誤差不超過5%。同時，超聲C 掃描成像能夠反映流道寬度變化，從而對發(fā)生堵塞的微流控芯片進(jìn)行有效識別。利用中心頻率15 MHz 聚焦探頭，可發(fā)現(xiàn)寬度300 μm 流道內(nèi)部存在的多處氣泡堵塞。