一種新的紙基微流開關(guān)及其活躍方法*

查 燕，尉一卿，韓慶江，章安良

(寧波大學(xué)信息學(xué)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(diǎn)，已成為生化分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1－3］，在DNA測序、單細(xì)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(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用［4－7］。尤其是紙基微流器件的出現(xiàn)，進(jìn)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(shè)備［8－9］。一經(jīng)出現(xiàn)，它即成為微流控學(xué)的前沿研究熱點(diǎn)，為市場潛力十分巨大的POCT［10］更廣泛應(yīng)用，克服了成本障礙。然而，紙基微流器件的一個特點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)，可進(jìn)一步發(fā)揮微流器件優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)微流器件的可編程性，微流開關(guān)是關(guān)鍵。哈佛大學(xué)的George M.Whitesides及其合作者［11］提出了3維可編程紙基微流開關(guān)。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(shí)現(xiàn)紙基微通道的開關(guān)功能。但紙基微流開關(guān)的紙基和膠帶層數(shù)較多，開關(guān)動作通過用戶的手動實(shí)現(xiàn)，不易實(shí)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(shí)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(shè)計特殊形狀紙基開關(guān)，實(shí)現(xiàn)紙基微流通道內(nèi)微流體控制。另外，已報道通過閥機(jī)理實(shí)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(yùn)［13－14］，實(shí)現(xiàn)微流開關(guān)功能，但由于紙基微流器件微流體的輸運(yùn)是依靠紙基中的毛細(xì)管力作用來實(shí)現(xiàn)微流輸運(yùn)，因此，微閥機(jī)理無法應(yīng)用于紙基微流器件上。

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 聲表面波作用微流原理及壓電器件設(shè)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?。在所加的信號頻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(qiáng)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(qiáng)度隨所加的信號功率增加而增加。

當(dāng)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(dāng)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(guān)。

1.2 紙基微流開關(guān)制作

紙基微流開關(guān)制作工藝如圖2所示。

圖2 紙基微流開關(guān)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(shè)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(guān)上方(圖2(f))。

1.3 聲表面波控制微流開關(guān)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

在正常情況下，紙基微流開關(guān)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)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(guān)所吸收，進(jìn)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(shí)現(xiàn)開關(guān)‘on’功能。聲表面波激活開關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 紙基微流開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置

圖3中，射頻(RF)信號發(fā)生器(SP1461，EPRE，China)用來提供實(shí)驗(yàn)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(yùn)動狀況及紙基微流器件顏色變化，并儲存于計算機(jī)中。實(shí)驗(yàn)中，采用 MDVNT軟件(Novel，China)進(jìn)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(kuò)展

折疊紙通道在沒有外界作用力時，它將有恢復(fù)原來狀態(tài)的趨勢而一定程度擴(kuò)展。圖4(a)是折疊后的紙通道在不受外界作用下，恢復(fù)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(fù)，但其折疊角均小于90°。若將微流體進(jìn)樣到折疊紙通道，則折疊紙通道的折疊角將進(jìn)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(dá)第二折疊處，而前一折疊角增加較大后，導(dǎo)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(dá)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(yùn)導(dǎo)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(jìn)一步檢驗(yàn)折疊紙通道恢復(fù)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(yùn)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(yuǎn)小于90°。而5 μL紅色染料溶液微流體經(jīng)過紙通道輸運(yùn)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(jìn)行15次實(shí)驗(yàn)，折疊紙通道經(jīng)2 d恢復(fù)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(guān)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(rèn)為α值近似不變，則當(dāng)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(shí)驗(yàn)，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(dá)到至少120°，為此，假設(shè) 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(guān)功能的實(shí)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(guān)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(jìn)樣器進(jìn)樣微流體，為便于觀察，采用紅色染料溶液微流體為實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行聲表面波作用下不同體積微流體到達(dá)2 mm高度所需電信號功率做了實(shí)驗(yàn)。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(dá)濾紙片的視頻截圖。

圖7 4μL紅色染料溶液微流體輸運(yùn)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(jìn)樣器進(jìn)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(dāng)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(jìn)一步擴(kuò)展輸運(yùn)。

改變進(jìn)樣到壓電基片上紅色染料溶液微流體的體積，進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)。結(jié)果可得到:當(dāng)進(jìn)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(shí)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(dāng)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(shí)現(xiàn)微流體到達(dá)紙基片，為避免壓電基片因所加功率過大而破裂，故實(shí)驗(yàn)中不進(jìn)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(dá)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(guān)

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(guān)。圖8是聲表面波控制紙基微流開關(guān)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(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行紙基微流開關(guān)的控制實(shí)驗(yàn)。

圖8 聲表面波活躍紙基微流開關(guān)

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(jìn)樣器將15 μL紅色染料溶液微流體進(jìn)樣到一紙基微通道后，該微流體在該微通道內(nèi)輸運(yùn);圖8(c)為該微流體已經(jīng)輸運(yùn)到達(dá)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(guān)輸運(yùn)并使其擴(kuò)展;圖8(e)為紙基開關(guān)進(jìn)一步擴(kuò)展;圖8(f)為紙開關(guān)一端與微通道接觸;圖8(g)為紙開關(guān)連接兩微通道;圖8(h)～8(i)為微流體經(jīng)過紙開關(guān)輸運(yùn)到另一微通道，實(shí)現(xiàn)聲表面波控制微流體在不同微通道內(nèi)輸運(yùn)。

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(guān)保持‘off’狀態(tài)，而當(dāng)叉指換能器上加足夠強(qiáng)度的電信號后，壓電基片上微流體因形變而輸運(yùn)到紙基開關(guān)，使得紙基開關(guān)連通兩微通道，實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(guān)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(yùn)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(guān)，采用紅色染料溶液微流體和27.5 MHz電信號實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了紙基微流開關(guān)的開關(guān)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(dá)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(guān)實(shí)現(xiàn)兩個不相連接的兩紙基微通道微流體的輸運(yùn)。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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