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交流电渗驱动水溶液的研究

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赵俞杰

摘要:微流体的驱动与控制是微流控芯片中一项重要的关键技术,交流电渗驱动具有电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合的优点,在微流控系统中具有重要的应用价值。本次实验主要进行了交流电渗非对称电极微泵驱动水溶液的研究。实验显示:随着频率从100hz增加到1000hz时,交流电渗速率随着频率的增加而增加,在500hz至1000hz时会出现速率最大值,在1000hz之后,速率会下降。大小电极宽度比较大,大小电极之间间隔较小,交流电渗速率较快。当溶液电导率为10μs/cm时,电渗速率最大。

关键词:交流电渗驱动,微通道,水溶液

一、前言

1989年,德国Manz教授提出了全微分析系统(MicroTotalAnalysisSystem),主要是将实验室中进样(Sampling)、混合样品(Mixing)、传输(Sampletransport)、反应(Reaction)、分离(Separation)及检测(Detection)等功能,全部集成在芯片上,使其具有生化反应、分离与检测等功能。使用少量的检测试剂即可完成全自动的分析,减少人为操作造成感染的问题。

微流体的驱动与控制是微流控芯片中一项重要的关键技术,目前推动微流体的方式主要分为机械式微泵和非机械式微泵。近些年来,微机械泵取得了很大进展,但离完全市场化还有很长一段路,一方面由于微机械泵所能提供的流量和压力非常有限,另一方面,机械式微泵有致命的缺陷,它存在活动部件,这严重影响机械式微泵的工作寿命,而且制作工艺复杂、价格昂贵,难于集成到实验室芯片中,这些都缩小了机械式微泵进一步应用的空间。相反,非机械师微泵装置构造简单,无须机械装置就能更有效推动流体,且容易控制,因此广泛的被应用于微流体的传输上。

电渗泵是非机械式微泵重要分支。电渗泵就是依据电渗原理设计出来的,根据施加的电压类型可以分為直流电渗微泵和交流电渗微泵。直流电渗微泵流量可调、范围宽、无活塞、无阀、无动态密封、制造成本低和设计简洁等优点。但是,由于需要在高压的条件下完成,溶液容易发生电解反应,热量大大产生,气泡也随之而生,进而对微流体流动的稳定性产生干扰。其次,超大电压造成了一定的危害性,因此直流电渗泵的适用受到一定的限制。而交流电渗驱动具有电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合的优点,在微流控系统中具有重要的应用价值。

1809年,Ruess在实验中发现了电动现象(Electrokinetics),由此开始了早期的电渗流理论的研究。而交流电渗现象的出现较晚,直到1998年,A.Romas在实验中发现了交流电渗现象,证明了电渗现象并非只存在于直流电场中,并由此才开始了对交流电渗微流体驱动的研究。2005年,瑞士联邦工学院Cahill博士在对平行阵列电极施加相位差为90°的连续电压信号时,发现流体出现明显的流动现象,依此原理设计的微泵即行波交流电渗微泵[1]。

交流电渗泵分为交流电渗非对称电极微泵和行波交流电渗微泵。非对称电极微泵加工简单,所需电压低、不易产生气泡、易与芯片相结合。但是其缺点主要是流体流线不够平直,且流体只能单向流动。行波交流电渗微泵不仅具有交流电渗非对称电极微泵的优点,并且其流动稳定、平直、流速更大,可以实现对流体的双向驱动等优点。其缺点是加工难度较高。本次实验主要进行了交流电渗非对称电极微泵驱动水溶液的研究。

二、实验

为研究电极尺寸对交流电渗驱动的影响,设计4种不同尺寸的非对称电极。电极尺寸如下表所示。芯片基底材料选择石英玻璃,微电极由金制作。由中国科学院高能物理研究所加工。

(2)微通道的制作

微通道由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。将PDMS(Sylgard184,DowCorning)溶液及引发剂按10∶1比例进行混合,充分搅拌,然后用真空泵除去溶液中的气泡;最后,将溶液倒入微通道模板(中科院高能所加工),置于恒温为80℃的恒温箱内,烘烤120分钟,使其固化。将制好的微通道取出,在微通道两端打孔,用环氧树脂将微通道与微电极板粘和在一起,制成交流电渗驱动芯片。

2实验方法

在水溶液中添加KCl浓溶液,通过电导率仪(雷磁DDSJ-308F,中国)来监测溶液的电导率。在溶液中添加直径为1微米的聚苯乙烯小球(天津市倍思乐色谱技术开发中心,中国)来作为示踪粒子。由信号发生器(TGA1244,TTI公司,英国)产生交流电信号施加在微电极,驱动流体流动。使用显微镜(XSP-22AY,上海光学仪器六厂,中国)监测流体。

三、实验结果与讨论

(1)不同电极尺寸对交流电渗流速的影响

电导率10μs/cm,25℃,微通道高度:500μm,交流电压3.5V;测量位置在电极上面9.6μm(A):尺寸一;(B):尺寸二;(C):尺

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