查 燕，尉一卿，韓慶江，章安良

(寧波大學信息學院電路與系統(tǒng)研究所，浙江寧波315211)

微流控器件因具有操作簡單、試劑消耗量少、可極大減少操作中引入的人為誤差等諸多優(yōu)點，已成為生化分析領域的研究熱點［1－3］，在DNA測序、單細胞分析、單分子分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶、食品安全和疾病診斷等領域中得到越來越廣泛的應用［4－7］。尤其是紙基微流器件的出現(xiàn)，進一步降低了微流控器件的成本，它不僅制作工藝十分簡單，而且無需專用的制作設備［8－9］。一經(jīng)出現(xiàn)，它即成為微流控學的前沿研究熱點，為市場潛力十分巨大的POCT［10］更廣泛應用，克服了成本障礙。然而，紙基微流器件的一個特點是微流器件的功能在器件制作完成后也就確定，無法由用戶根據(jù)現(xiàn)場需要進行自行編程，以確定其功能;用戶也無法根據(jù)分析要求自行選擇微流體流經(jīng)的微通道?？删幊涛⒘髌骷某霈F(xiàn)可克服上述缺點，可進一步發(fā)揮微流器件優(yōu)點。要實現(xiàn)微流器件的可編程性，微流開關是關鍵。哈佛大學的George M.Whitesides及其合作者［11］提出了3維可編程紙基微流開關。它通過紙和膠帶數(shù)層疊層，用戶只要按壓紙基微通道上的紙基按鈕，即可實現(xiàn)紙基微通道的開關功能。但紙基微流開關的紙基和膠帶層數(shù)較多，開關動作通過用戶的手動實現(xiàn)，不易實現(xiàn)自動化。Xu等［12］報道了將紙基片疏水化后，采用等離子體處理實現(xiàn)親水紙基微通道，并將親水微通道截成兩微通道，通過設計特殊形狀紙基開關，實現(xiàn)紙基微流通道內(nèi)微流體控制。另外，已報道通過閥機理實現(xiàn)傳統(tǒng)的硅基、玻璃和塑料等材料構(gòu)成的微流器件的微流輸運［13－14］，實現(xiàn)微流開關功能，但由于紙基微流器件微流體的輸運是依靠紙基中的毛細管力作用來實現(xiàn)微流輸運，因此，微閥機理無法應用于紙基微流器件上。

本文在前期工作［15］基礎上提出了一種新的紙基微流開關，它由聲表面波(SAW)控制其開關功能。只要編程實現(xiàn)加到叉指換能器上電信號，即可實現(xiàn)其開關功能，便于微流自動分析。

1 實驗部分

1.1 聲表面波作用微流原理及壓電器件設計

在壓電基片的叉指換能器上加合適頻率的電信號時，叉指換能器激發(fā)聲表面波，并沿壓電基片表面?zhèn)鞑ァＴ谒拥男盘栴l率為叉指換能器的聲同步頻率時，叉指換能器激發(fā)的聲表面波強度決定于加到其上的電信號功率和叉指換能器的指對數(shù)。對于一制作好的叉指換能器，它激發(fā)的聲表面波強度隨所加的信號功率增加而增加。

當在壓電基片的聲路徑上有微流體，且基片表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ㄓ龅皆撐⒘黧w時，聲表面波按瑞利角θR向微流體輻射能量［16］，

式(1)中VW是聲波在液體中傳播速度，VR為聲波在壓電基片表面?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

在SAW向微流體輻射能量的同時，聲表面波對微流體產(chǎn)生單位體積力［17］:

聲表面波作用于微流體的原理如圖1所示。

為激發(fā)兩相向聲表面波，在(XY)/128°LiNbO3基片上采用微電子工藝制作一對叉指換能器和一對反射柵。每一個叉指換能器叉指周期為144 μm，鋁指條厚度為500 nm，叉指換能器的孔徑為4.32 mm，叉指換能器的指對數(shù)均為35。壓電基片的聲路徑表面涂覆Teflon AF 1600(Dupont，USA)。

圖1 聲能量按θR·角向微流體輻射能量

當壓電基片上微流體同時受兩相向聲表面波作用時，該微流體由于受相向作用力而發(fā)生形變，使得基片上微流體變窄、變高，其形變程度與所加的電信號功率有關。

1.2 紙基微流開關制作

紙基微流開關制作工藝如圖2所示。

圖2 紙基微流開關制作工藝

圖2中，先采用模塑法制作PDMS微架(圖2(a))，將成形的紙通道穿過PDMS微架中設計的通孔(圖2(b))，采用 PDMS楔子固定紙通道(圖2(c))，并將紙一端折疊(圖2(d))，貼放于光刻有叉指換能器和反射柵的壓電基片上(圖2(e))，待連接的兩紙基微通道通過PDMS墊塊置放于紙開關上方(圖2(f))。

1.3 聲表面波控制微流開關原理及實驗裝置

在正常情況下，紙基微流開關處于斷開狀態(tài)，當需要兩通道連接時，將放大了的RF信號加到叉指換能器上，激發(fā)兩相向聲表面波，使得壓電基片上微流體發(fā)生形變，并為紙基開關所吸收，進而增大折疊紙通道的折疊角，從而連接待連通的兩紙基微通道，實現(xiàn)開關‘on’功能。聲表面波激活開關的實驗裝置如圖3所示。

圖3 紙基微流開關實驗裝置

圖3中，射頻(RF)信號發(fā)生器(SP1461，EPRE，China)用來提供實驗所需要的27.5 MHz正弦波信號，它與叉指換能器的聲同步頻率相同，激發(fā)聲表面波。功率放大器用于放大信號發(fā)生器輸出的電信號，它的工作頻率范圍是2 MHz～30 MHz，增益為48 dB，最大不飽和輸出功率為30 W。高靈敏度電荷耦合器(CCD)(DCE－2，Novel，China)用來監(jiān)測微流體運動狀況及紙基微流器件顏色變化，并儲存于計算機中。實驗中，采用 MDVNT軟件(Novel，China)進行圖像處理和控制。加到叉指換能器上的功率采用功率計(YM2462，Yamei，China)來測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基微通道的擴展

折疊紙通道在沒有外界作用力時，它將有恢復原來狀態(tài)的趨勢而一定程度擴展。圖4(a)是折疊后的紙通道在不受外界作用下，恢復兩天后狀況。從微架開始的三折紙通道長度分別3.90 mm，4.10 mm和4.05 mm，紙通道寬度為2.53 mm，一折紙通道的折疊角為128.4°。由圖4(a)可知，折疊紙通道發(fā)生了一定程度的恢復，但其折疊角均小于90°。若將微流體進樣到折疊紙通道，則折疊紙通道的折疊角將進一步增加，該紙通道長度也隨之增加。圖4(b)～4(e)為5 μL紅色染料溶液微流體通過紙通道，折疊角發(fā)生變化的視頻截圖。圖4(f)為5 μL紅色染料溶液微流體還尚未到達第二折疊處，而前一折疊角增加較大后，導致該折疊角部分減少。圖4(g)～4(h)為5 μL紅色染料溶液微流體開始到達第二折疊處，該處折疊角增大情況。圖4(i)為經(jīng)過85.7 s后，折疊紙通道折疊處兩折疊角大小。

圖4 微流輸運導致折疊角增加

由圖4可知，經(jīng)過21.8 s后，折疊紙通道的兩折疊角都增加到125°以上。再經(jīng)過1 min以后，折疊角僅增加不到10°。

為了進一步檢驗折疊紙通道恢復程度，對一折、不同寬度紙通道在有和無5 μL紅色染料溶液微流體通過紙通道時，其折疊角變化如圖5所示。

圖5 有、無微流輸運時紙通道折疊角變化

由圖5可知，在沒有微流體通過紙通道時，折疊紙通道經(jīng)過兩天后，其折疊角均遠小于90°。而5 μL紅色染料溶液微流體經(jīng)過紙通道輸運后，折疊角增大到120°以上，極大增加了紙通道長度。

對不同寬度，相同折疊通道長度進行15次實驗，折疊紙通道經(jīng)2 d恢復后沒有微流體通過時，折疊角均在48°～64°之間;經(jīng)過5 μL紅色染料溶液微流體后，折疊紙通道變化后的折疊角增加到120.7°～138.0°之間，滿足紙基開關對紙通道折疊角的要求。

折疊紙通道垂直高度H=H1+H2可由下式計算得到:

式(3)中各量的含義如圖6直觀示出。

圖6 計算紙折疊通道長度示意圖

圖6中，由于紙通道底端固定于PDMS微架中，且紙通道在該折疊處的折疊角已經(jīng)較大，為計算簡便，可認為α值近似不變，則當微流體通過紙通道后，根據(jù)式(3)可計算折疊紙通道長度變化量。對于圖4 所示紙通道，α 為38.4°，L2為 4.1 mm，L3為3.9 mm，θ1和 θ2分別從47.5°，48.4°增加到 141.1°和134.9°，則長度變化量為2.8 mm。

根據(jù)實驗，微流體流過折疊紙通道后，最低折疊角均超過120°，同時，微流體首先使得折疊角θ1達到至少120°，為此，假設 θ1取最低條件 120°，則要使折疊紙通道接觸到其上方2 mm處待連接的紙微通道，θ2只需 112.2°，其值小于 120°。因此，折疊紙通道能可靠保證開關功能的實現(xiàn)。

2.2 兩相向聲表面波作用下微流體高度變化

兩相向聲表面波作用于微流體使得微流體發(fā)生形變，即，聲表面波作用使得壓電基片上微流體的高度發(fā)生了變化。為研究微流體高度變化與RF電信號功率關系，在壓電基片上2 mm高度處放置濾紙片，在濾紙片下方的壓電基片上采用微量進樣器進樣微流體，為便于觀察，采用紅色染料溶液微流體為實驗對象，進行聲表面波作用下不同體積微流體到達2 mm高度所需電信號功率做了實驗。圖7是4 μL紅色染料溶液在聲表面波作用下發(fā)生形變，從而增加該微流體高度，并到達濾紙片的視頻截圖。

圖7 4μL紅色染料溶液微流體輸運到紙基片視頻截圖

圖7中，圖7(a)為4 μL紅色染料溶液采用微量進樣器進樣到壓電基片上，圖7(b)為紙基片放置于2 mm高度的PDMS墊塊上，圖7(c)為RF信號功率較小時，微流體高度不足以接觸到其上的紙基片，圖7(d)為當RF信號功率增加到2.3 W時，紅色染料溶液微流體發(fā)生較大形變，微流體高度剛能接觸到紙基片，圖7(e)和圖7(f)為紅色染料溶液微流體在紙基片上進一步擴展輸運。

改變進樣到壓電基片上紅色染料溶液微流體的體積，進行相同實驗。結(jié)果可得到:當進樣的微流體體積分別為5 μL和6 μL時，兩相向聲表面波作用下，實現(xiàn)其高度增加到2 mm所需RF信號功率分別為1.6 W和0.6 W。而當紅色染料溶液體積為3 μL時，增加RF電信號功率到3.1 W也不能實現(xiàn)微流體到達紙基片，為避免壓電基片因所加功率過大而破裂，故實驗中不進一步增加RF信號功率。

由此可見，兩相向聲表面波作用，可增加壓電基片上微流體高度，且不同體積微流體達到同一高度所需RF信號功率隨微流體體積增大而減少。

2.3 聲表面波激活紙基微流開關

聲表面波作用可改變壓電基片上微流體高度，因此，可采用聲表面波控制紙基微流開關。圖8是聲表面波控制紙基微流開關的視頻截圖。為便于觀察，也采用紅色染料溶液微流體作為實驗對象，進行紙基微流開關的控制實驗。

圖8 聲表面波活躍紙基微流開關

圖8中，圖8(a)為兩待連通的紙基微通道;圖8(b)為采用微量進樣器將15 μL紅色染料溶液微流體進樣到一紙基微通道后，該微流體在該微通道內(nèi)輸運;圖8(c)為該微流體已經(jīng)輸運到達該紙基微通道端口處;圖8(d)為在叉指換能器對上加1.2 W電信號后，壓電基片上水微流體在聲表面波作用下在紙基開關輸運并使其擴展;圖8(e)為紙基開關進一步擴展;圖8(f)為紙開關一端與微通道接觸;圖8(g)為紙開關連接兩微通道;圖8(h)～8(i)為微流體經(jīng)過紙開關輸運到另一微通道，實現(xiàn)聲表面波控制微流體在不同微通道內(nèi)輸運。

由圖8可知，在壓電基片的叉指換能器上不加RF電信號時，紙基開關保持‘off’狀態(tài)，而當叉指換能器上加足夠強度的電信號后，壓電基片上微流體因形變而輸運到紙基開關，使得紙基開關連通兩微通道，實現(xiàn)開關的‘on’功能。因此，只要控制加到叉指換能器上電信號，即可控制開關功能。

此外，為避免壓電基片上微流體(液滴)對待連接通道帶來外來物質(zhì)的干擾，可采用待輸運微流體替代壓電基片上的液滴。

3 結(jié)論

提出了一種新的、聲表面波活躍的紙基微流開關，采用紅色染料溶液微流體和27.5 MHz電信號實驗驗證了紙基微流開關的開關功能。本文工作可得如下結(jié)論:(1)微流體通過折疊微通道可使折疊紙通道的折疊角增加，增加紙通道長度;(2)兩相向聲表面波可使得其聲路徑上微流體發(fā)生形變，而使其高度發(fā)生變化，且達到同一高度，所需RF信號功率隨微流體體積增加而減少;(3)聲表面波可活躍紙開關實現(xiàn)兩個不相連接的兩紙基微通道微流體的輸運。本文工作對可編程紙基微流器件研究具有參考價值。

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