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目,其主要實施方法是學(xué)生進(jìn)入科研實驗室完成一些簡單的科研項目,借以提高學(xué)生的科技創(chuàng)新意識和能力[1-2]。

微流控芯片(microfluidic chip)是一種以在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控為主要特征的技術(shù)產(chǎn)品,主要通過微機電加工技術(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、檢測等功能集成到一塊芯片上,利用可控流體在芯片中流動,實現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實驗室的多種功能的技術(shù)平臺[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散進(jìn)行混合,混合效果不好。但利用此系統(tǒng)進(jìn)行檢測分析時,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,否則就會導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,如何實現(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)實驗室,對微流控芯片的設(shè)計及制作進(jìn)行了探討,在普通實驗室中成功制作了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)行下一步實際應(yīng)用的實驗打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 實驗方法

1.1 芯片制作

1.1.1 儀器和試劑

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

實驗所用主要儀器：紅色LED燈(E27,福建海佳照明科技有限公司)；大面積曝光機(KD-1,上海學(xué)澤光學(xué)機械有限公司)；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,圖形區(qū)和非圖形區(qū)對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短和粗細(xì)；將設(shè)計好的圖形用高分辨率的激光照排機,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)曝光機中,光刻掩膜置于基片上方后對基片進(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,此時光刻掩膜上的圖形在玻璃基片上已清晰可見；將保護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)計通道的進(jìn)出口處,用臺鉆打孔；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)過高溫鍵合后的芯片刻蝕的通道并沒有發(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)計及混合效果的測試

1.2.1 儀器及試劑

實驗所用的主要儀器設(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 實驗方法

本文構(gòu)建微流控芯片的混合實驗裝置來分析其混合性能。實驗裝置主要由計算機、體視顯微鏡(配有電子目鏡)、恒流泵組成。實驗步驟如下:

(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2個入口引入芯片；

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

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

實驗中使用的酚酞是一種酸堿指示劑,在堿性條件下,其顏色會由無色變?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)行實際應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.1 微流控芯片的設(shè)計

圖3列出了10種微流控芯片的設(shè)計圖。

圖3 微流控芯片設(shè)計圖

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“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,圓形空腔內(nèi)設(shè)置的“W”形障礙可能會對流體的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響,而網(wǎng)格結(jié)構(gòu)處和矩形結(jié)構(gòu)中兩股流體會分散成多股,也可能會對流體的流動狀態(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)會對流體的流動寬度產(chǎn)生擠壓和擴大,可能會促進(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“T”形入口流入通道,流經(jīng)菱形結(jié)構(gòu)處時,流體會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”形障礙也可能會對流體的流動狀態(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處匯聚,之后再次相向而流,如此重復(fù)以上過程加強混合。

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“T”形入口流入通道后,流經(jīng)菱形結(jié)構(gòu)處時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)中兩流體分離的問題；另外在菱形結(jié)構(gòu)的四周也設(shè)置了多個扇形的空腔,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對流體的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響。

第三種是錯位菱形結(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候都相互錯開,通道拐角處也是相互錯開的,設(shè)計原理是利用通道的不均勻性來增強混合。

由于流體在通道中沿著圓周曲線流動時會產(chǎn)生離心力,離心力會導(dǎo)致微通道中的流體有偏向通道外壁流動的趨勢,這樣就會在通道的上下兩端產(chǎn)生2個反向旋轉(zhuǎn)的渦流,一個推動流體順著通道往前流動,另一個促使流體向和通道外壁垂直的方向流動,這種渦流運動可以顯著提高流體的混合程度,達(dá)到快速混合的目的。因此我們設(shè)計了半圓結(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)的個數(shù),使流體的混合距離變長,產(chǎn)生的渦流運動更是會極大地促進(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)看起來類似圓柱,匯聚-分散結(jié)構(gòu)加強了流體間的擾動,半圓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流運動也會對流體混合產(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)加強了流體間的擾動,半圓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流運動也會對流體混合產(chǎn)生影響。

2.2 芯片的混合效果

對上述10種不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片,依次進(jìn)行了混合效果實驗,實驗結(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)計算,3種芯片的混合程度分別是75%、76.9%和72.2%,說明這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)多個連續(xù)半圓結(jié)構(gòu)混合單元、多個圓柱結(jié)構(gòu)混合單元以及第一個扇形結(jié)構(gòu)混合單元后,粉紅色液流幾乎充滿了整個通道,由公式計算可得該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

本文分別設(shè)計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,定量測定并計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。通過微流控芯片的設(shè)計制作,學(xué)生提高了動手能力,同時大大鍛煉了學(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)。