基于微流控芯片的液體電導測量

胥 飛， Md Shehadul Islam

（1.上海電機學院 電氣學院，上海 200240；2.加拿大麥克馬斯特大學 機械工程系，加拿大 哈密爾頓 L8S4L8）

基于微流控芯片的液體電導測量

胥 飛1， Md Shehadul Islam2

（1.上海電機學院 電氣學院，上海 200240；2.加拿大麥克馬斯特大學 機械工程系，加拿大 哈密爾頓 L8S4L8）

在傳統(tǒng)微流控芯片制作方法的基礎上，利用電化學腐蝕來制作電導式微流控芯片。對濃度分別為21.0%、28.1%、37.5%、50%的聚苯乙烯溶于去離子水的微粒混懸液進行實驗測量，實驗表明，該芯片測量與理論基本符合，芯片適用于液體溶液的阻抗測量。

微流控芯片；電導；光刻；二甲基硅氧烷

在電工、化工、生物醫(yī)學等諸多領域都需要對液體試樣的電導進行測量［1－3］。通常的測量需要較大的測量裝置和試樣，而隨著微流體技術的發(fā)展，電導式微流控芯片為液體電導測量提供了新的選擇。

微流控芯片是指通過微細加工技術將微細通道、微小儲液器、微小電極、微小驅(qū)動器、微小光電壓力電壓等傳感器及其他功能模塊像集成電路一樣制作在一塊幾平方厘米的玻璃、硅片或聚合物上，使其具有生物或化學等領域所涉及的樣品制備、生物化學反應、分離、檢測等基本操作單元，具備完整分析功能的器件，也稱為微全分析系統(tǒng)（Micro Total Analysis System，μ－TAS）［4－6］。

電導式微流控芯片特指可以將待測試樣連接電導測量設備，控制進樣、電導測量，對樣品進行分析、分離等操作的芯片。通常，電導式微流控芯片在片上構建電導測量所需的電極及連線、微細通道、微小儲液器、微小驅(qū)動器等部件。

最早的電導式微流控芯片是Coulter血球計數(shù)器［5］。由于細胞對低頻電流的阻礙作用，當細胞經(jīng)過玻璃管壁上小孔時，由恒流源驅(qū)動的玻璃管兩側的電壓將會發(fā)生脈動，且其變化幅度與細胞大小相關。

電導式微流控芯片通常是在直徑為10cm的玻璃或硅基片上，采用光刻化學腐蝕方法，刻蝕出側壁陡直的微通道、微儲液器；用氣相沉積方法制作出金電極和引線，再用粘貼或靜電鍵合的方法把一塊玻璃片封接到硅片上閉合微通道［4，6］。這種金屬濺射和金屬氣相沉積制作微流控芯片電極的方法耗時且成本較高，本文提出通過腐蝕的方法快速制作阻抗式微流控芯片的方法。

1 電導式微流控芯片的制作

本文采用的方法是在普通制作微流控芯片的基礎上，用電化學腐蝕制作電極，故前幾個步驟與其他方法基本相同［6－7］。具體制作步驟如圖1所示。

（1）使用AutoCAD設計掩膜圖形文件，并用高精度激光打印機打印在透明掩膜板上。電導式微流控芯片通常的試樣為細胞，因而根據(jù)對象設定通道寬高為10～200μm。

（2）將SU8－100（100μm厚）甩到表面光潔的硅片上再將打印好的膠片蓋上去。SU8是一種負性抗蝕劑，使用激光使其曝光，沖洗掉未曝光部分，硅片上出現(xiàn)所需主模型。

（3）將聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）聚合體預混物覆蓋在主模型上，在微儲液器上放置硅管以形成通道的進出口。硅管可以穩(wěn)定牢固地與PDMS結合。將涂覆好PDMS的模具放在烘箱里在80℃下烘烤3h，取出后就可以將PDMS復制品剝離主模型，成為一個復制品。

圖1 腐蝕法制備阻抗式微流控芯片流程示意圖Fig.1 Fabrication flowchart of impedance microfluidic chip with electrochemistry corrosion method

（4）將直徑φ100μm的銅絲用注射針頭放置到垂直通道中，再將該PDMS復制品和另一個同樣尺寸但表面光潔的PDMS片用50W等離子體氧化處理30s后粘在一起，這樣一個含有微儲液器、微通道和銅絲的微流控芯片初步形成。

（5）將銅絲在通道交叉處斷開形成2個電極。

（6）在垂直通道中注入去離子水，水平通道注入1mol／L的氯化鉀（KCl）溶液。在水平進出口的一端放置一根銅絲，將該銅絲作為陰極，垂直通道的銅絲作為陽極，施加2V直流電源。期間用注射泵保持KCl溶液和去離子水的流動。在電化學反應作用下，垂直通道中浸在KCl溶液里的一段銅絲逐漸溶解，并最終斷開。最后移去水平通道入口的銅絲，并用鹽酸（HCl）溶液清洗通道，以去除電極和通道中的氯化銅（CuCl2）。

2 電導測量應用

2.1 混合物電導理論

液體的電導與液體的構成相關。如果是純凈物，電導自然由電導率決定；而對于由多種成分組成的液體混合物，則根據(jù)Maxwell混合物電導率方程，電導率由其組份決定［8－11］：

式中，k為溶液的等效復合電阻率和復合介電常數(shù)；k1為溶液內(nèi)懸浮分散相介質(zhì)的電阻率；k2為懸浮媒質(zhì)的電阻率；p為容積率，以球形介質(zhì)為例，p＝na31／a32，其中n為內(nèi)部分散相介質(zhì)的數(shù)目，a1為其直徑，a2為外部介質(zhì)的直徑。

2.2 測量試驗

將自制的聚苯乙烯微粒懸浮在去離子水中形成50%的混懸液；再用注射器將該混懸液依次稀釋0.75倍，則有37.5%、28.1%、21.0%、50%的混懸液備用。

實驗前，按上文的制作方法制備電導式微流控芯片，并用0.1mol／L的稀鹽酸清洗液體通道，以去除銅電極表面的氧化，增強接觸導電性能。再用去離子水沖洗3次，防止鹽酸中的氫離子（H＋）和氯離子（Cl－）影響試樣的導電性能［12］。

實驗的電導測量采用通用的阻抗分析儀，但為應對高通量多頻率測量需要，使用新開發(fā)的電導測量方法和設備［13－15］。將微流控芯片的電極插入16047D阻抗分析測試夾具接口，再將夾具連接到Agilent4294A阻抗分析儀的測試連接端口，執(zhí)行阻抗分析儀的標準校準程序，以對當前測試連接線的阻抗進行補償。校準后的連接導線應避免觸碰，否則需重新校準。

3 試驗結果

圖2為不同濃度時，聚苯乙烯混懸液及去離子水在0.01～50MHz頻率范圍內(nèi)的電導特性。由圖中可看出，混懸液的電導率在低于10MHz頻率下基本不變。這是因為液體中導電離子非常少。當頻率超過10MHz時電導變化較大，這可能是因為細導線的感性成分在高頻下較大感抗引起的。不同濃度的電導譜線拉開，顯示了濃度對電導率的影響。

圖2 不同濃度混懸液及去離子水電導頻譜圖Fig.2 Conductance spectrum of different polystyrene beads density solution and deioned water

圖3 溶液電導與濃度的關系曲線Fig.3 Solution conductance vs.polystyrene beads density

如圖3所示為混懸液電導率譜線隨濃度變化的曲線。去離子水的電導率只有約1μS／cm，而聚苯乙烯的電導率達到0.1S／cm。因此，盡管聚苯乙烯濃度較低，仍然對混懸液的電導率有顯著影響。根據(jù)式（1），懸浮媒質(zhì)去離子水的電阻率k2＝10MΩ·cm，懸浮分散相聚苯乙烯的電阻率為k1＝10Ω·cm，則有

式中，電導率σ＝1／k。

以1.09kHz下的測量數(shù)據(jù)為參考，測得去離子水的電導為42.9nS，則該阻抗微流控芯片的測量池常數(shù)為42.9mm。電導K與聚苯乙烯濃度的關系為

如圖3所示，σ隨濃度的變化曲線與理論計算曲線相近，且隨頻率變化較小為以0.1μS為單位的電導值；x為混懸液中的聚苯乙烯濃度。

4 結 語

通過電腐蝕法制作了電導式微流控芯片，具有快速簡便易用的特點。

利用該芯片對聚苯乙烯微?；鞈乙旱碾妼нM行測量。實驗表明，該芯片能有效測量液體電導，獲得與理論基本相符的結果。這說明使用該電導式微流控芯片測量微小體積液體電導是有效的，可用于對均質(zhì)混懸液的電導分析。

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Measurement of Solution Impedance with Micro－Fluidic Chip

XU Fei1， Md Shehadul Islam2
（1.School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.Department of Mechanical Engineering，McMaster University，Hamilton L8S4L8，Canada）

A conductance micro－fluidic chip was fabricated by electrochemistry corrosion.Based on the traditional fabrication method of micro－fluidic chip，thin brass wire is etched and broken into two electrodes for impedance measurement.Conductance of polystyrene beads solutions with densities of 21.0%，28.1%，37.5%and 50%are measured with the micro－fluidic chip.The measured results conform to the theory，showing effectiveness of the chip in liquid conductance measurement.

micro－fluidic chip；conductance；lithographic；polydimethylsiloxane（PDMS）

TM 934

A

2095－0020（2012）01－0018－04

2011－12－07

上海市教育委員會重點學科資助（J51901）

胥 飛（1978－），男，副教授，博士，專業(yè)方向為電氣工程，E－mail：xuf＠sdju.edu.cn