基于微流控芯片的帶電液滴教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

劉威++饒浪

【摘要】帶電液滴是負(fù)載有電荷的微小液滴，其在化工，電子等領(lǐng)域有的廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文利用微流控芯片技術(shù)，在流聚焦溝道處實(shí)現(xiàn)了微液滴的可控精確生成，通過流速的控制可以對(duì)微液滴的尺寸和生成的速度進(jìn)行調(diào)整；利用極化微液滴的分裂，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微液滴的充電，通過控制極化電場(chǎng)的強(qiáng)度，可以精確的調(diào)整帶電微液滴上的電荷量；利用微流溝道里的三維微電極，在微流控芯片內(nèi)構(gòu)建了局部的平行電場(chǎng)，通過平行電場(chǎng)對(duì)微液滴進(jìn)行了精密的操控；同時(shí)通過理論分析，詳細(xì)的分析了微液滴的偏轉(zhuǎn)距離和微液滴所負(fù)載電荷量的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】微液滴 帶電液滴 微流控芯片 微加工

【基金項(xiàng)目】國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金： （J1210061）。

【Abstract】Charged droplet is micro-droplet with positive or negative charge， which has widely application value in chemical and electronic field. In this paper， fluid-focus structure in microfluidics chip was utilized to generate droplet. The size can be accurately adjusted by controlling the speed of the inlet liquid. Droplet was charged by split of the polarized droplet. The charge quantity in the droplet can be accurately adjusted by applying the voltage on the electrodes. The charged droplets can also be control by the 3D-electrodes integrated in the microfluidics chip. Through the theory calculation， the relationship between the replacement distance and the charge quantity of the droplets was analyzed.

【Keywords】droplet； droplet charge； microfluidics chip； micromachining

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）09-0255-02

帶電液滴有著廣泛的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的價(jià)值，帶電液滴可用于靜電噴涂，能夠使涂層均勻并節(jié)省能源；帶電液滴也可以用大面積農(nóng)藥散布，由于靜電力的作用，可使農(nóng)藥顆粒吸附在樹木的葉子果實(shí)表面，防止農(nóng)藥飛散，大大的提高農(nóng)藥利用率；液滴偏轉(zhuǎn)印刷也是帶電液滴的重要應(yīng)用領(lǐng)域，液滴偏轉(zhuǎn)印刷幾乎沒有機(jī)械部件，可以進(jìn)行高速印字，噪音低，成本便宜。密立根油滴實(shí)驗(yàn)也是帶電液滴在基礎(chǔ)研究中的重要應(yīng)用。

然而傳統(tǒng)的微液滴制備方式為噴嘴噴出法，無法對(duì)液滴的尺寸和帶電量進(jìn)行精確的控制，也無法直觀的觀察液滴充電和生成，大大限制了對(duì)帶電液滴的分析和應(yīng)用。

微流控芯片又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室，是在一塊幾平方厘米大小的芯片上集成液體的制備、反應(yīng)、檢測(cè)、分離等多個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)多功能的微型液體實(shí)驗(yàn)室。其微通道尺寸的數(shù)量級(jí)達(dá)到微米級(jí)，甚至是亞微米級(jí)的層次，所以在微通道中的流體的厚度也可以達(dá)到微米甚至是亞微米級(jí)的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液體的各種精密控制。

微流控芯片憑借其高通量、小尺寸、低成本、少量的試劑消耗、無污染、分析速度快和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)成為已化學(xué)合成、生物分析和信息技術(shù)檢測(cè)方面最有前景的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一。隨著微流控芯片技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，在微流控芯片中實(shí)現(xiàn)液滴分選的技術(shù)便是微流控芯片的重要應(yīng)用之一，有著反應(yīng)速度快、試劑消耗小的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的分析功能[1]，[2]，應(yīng)用前景被廣泛看好。用于細(xì)胞俘獲、細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞裂解和其他應(yīng)用[2-5]的基礎(chǔ)液滴操作包含有液滴的產(chǎn)生、分選、誘捕和融合，可利用光學(xué)[4]、磁性[6]、聲學(xué)[7]、閥基[8]、電學(xué)[3，9-12]等多種手段進(jìn)行操作。

本文利用微流控芯片設(shè)計(jì)了一組微液滴操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微液滴的尺寸的可控生成，微液滴的精密充電，以及帶電液滴偏轉(zhuǎn)。所有功能集成在一塊硬幣大小的微流空芯片內(nèi)部。

1.微流控芯片設(shè)計(jì)和加工

1.1微流芯片設(shè)計(jì)

圖1是實(shí)驗(yàn)所用到的微流體芯片功能示意圖，包括三個(gè)功能部分：（1）微液滴發(fā)生部分，（2）微液滴充電部分和（3）帶電液滴偏轉(zhuǎn)部分。

如圖1（c）所示為芯片中的“十字”流聚焦結(jié)構(gòu)。流聚焦結(jié)構(gòu)是微流控芯片中的液滴生成結(jié)構(gòu)，其通常為十字形狀，兩側(cè)的連續(xù)油相和中間的水相在十字點(diǎn)匯聚，如圖所示。十字溝道的油相可以對(duì)中間水相施加對(duì)稱的剪切力，將水相剪切成一個(gè)一個(gè)水相微液滴。

如圖1（d）區(qū)域?yàn)槲⒁旱纬潆妳^(qū)域。

水相微液滴的分裂，可以使一顆納升或皮升級(jí)的極化微液滴分裂成多個(gè)包含有不同電荷的更小微液滴。微液滴分裂主要借助于微液滴通過不同結(jié)構(gòu)時(shí)的剪切力來實(shí)現(xiàn)。如圖1（d）所示，T形分裂溝道可以用來進(jìn)行微液滴的等比例分裂，當(dāng)T形溝道上下兩分支的長度和寬度相同的時(shí)候，其流阻也相同，微液滴在T形溝道處被分割成兩個(gè)子微液滴，子微液滴的尺寸由氣閥（圖1f）的壓力來控制。液滴在充電電場(chǎng)（圖1d）中，會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷的分離，靠近正電極的液滴表面會(huì)帶負(fù)電荷，靠近負(fù)電極的液滴會(huì)帶正電荷。

圖1（g）區(qū)域?yàn)閹c(diǎn)液滴偏轉(zhuǎn)區(qū)域。帶電微液滴在電場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

1.2微流芯片加工

微流控芯片利用軟光刻方法進(jìn)行制備，其制備步驟：（1）打印微流控芯片通道膠片掩膜。用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻玻璃掩膜；用臺(tái)式甩膠機(jī)在硅片上涂覆60微米厚的AZ-50XT光刻膠，且用電熱板在110攝氏度烘干；（2）利用制作的膠片掩膜對(duì)涂有光刻膠的硅片進(jìn)行曝光。顯影烘干得到具有陽模的硅片；（3）將PDMS按10：1的比例配比，混和均勻，在硅片陽模上涂覆8毫米厚，70攝氏度固化1小時(shí)；（4）將固化后PDMS從硅片上揭起，打孔；（5）用等離子清洗機(jī)對(duì)PDMS和載波片進(jìn)行表面改性，將PDMS同載波片粘合；（6）3D電極是由銀漿注入電極溝道而成。將上述芯片在80℃烘箱內(nèi)保存兩周時(shí)間，形成疏水的溝道表面，即可用來進(jìn)行微液滴實(shí)驗(yàn)。

2.微液滴實(shí)驗(yàn)

將制備好的微流控芯片防止在顯微鏡物鏡下，利用電動(dòng)注射泵從A口以10ul/s的速度注入油相，從B口以20ul/s的速度注入水相，等待10分鐘待芯片壓力達(dá)到平衡，即可穩(wěn)定的在芯片的（a）區(qū)十字溝道處生成微液滴。在（b）區(qū)的對(duì)電極施加300V的直流電壓，對(duì)微液滴進(jìn)行充電，在（c）區(qū)的對(duì)電極上施加200V的直流電壓，對(duì)帶點(diǎn)微液滴進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。

液滴的生成和運(yùn)動(dòng)通過帶有高速電荷耦合器件相機(jī)的倒置顯微鏡觀察并記錄。

2.1微液滴生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖3所示，為流聚焦型“十字形”直角溝道結(jié)構(gòu)，上下兩路連續(xù)相為油相，中間分散相為水相。油相經(jīng)過十字溝道交匯點(diǎn)與水相溝道匯合，形成高速層流，隨后層流進(jìn)入右側(cè)溝道。由于右側(cè)溝道具有較窄寬度，而使得雷諾系數(shù)突然間提高，層流變成湍流，斷裂后形成油包水液滴。

通過調(diào)整水相的流速和油相的流速，能夠精確的控制生成的微液滴的尺寸。

2.2微液滴充電

如圖4所示，為微液滴分裂溝道在顯微鏡下觀察的照片。黑色區(qū)域?yàn)閷?dǎo)電電極，上電極接電源正極，下電極接電源負(fù)極，上下電極見施加300V的電壓，兩對(duì)電極間距約150微米。液滴在電場(chǎng)中從左至右流過，會(huì)在電場(chǎng)中極化，靠近正電極的液滴表面會(huì)帶負(fù)電荷，靠近負(fù)電極的液滴表面帶正電荷。當(dāng)液滴移動(dòng)到右側(cè)，碰到和運(yùn)動(dòng)方向垂直的溝道壁時(shí)，會(huì)被溝道壁上的T形結(jié)構(gòu)分裂成兩個(gè)子液滴。向上運(yùn)動(dòng)的子液滴保留了極化負(fù)電荷而帶負(fù)電，向下運(yùn)動(dòng)的子液滴保留了極化正電荷而帶正電，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)微液滴的充電。

通過調(diào)整對(duì)電極之間施加的電壓大小，可以精密的控制子液滴所帶電荷的電量。同時(shí)通過調(diào)整氣閥的壓力大小，可以控制液滴的大小，如圖3a、3b所示。

2.3帶電微液滴在電場(chǎng)下的偏轉(zhuǎn)

如圖5所示，分裂后的帶負(fù)電子液滴進(jìn)入三維平行電極形成的平行電場(chǎng)區(qū)。如5（a）所示，如果在對(duì)電極之間不加電場(chǎng)，則帶電液滴從左向右流過，并不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖5（b）所示，當(dāng)在兩平行電極間施加200V的電壓后，在平行電場(chǎng)的作用下，帶負(fù)電子液滴向正電極方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的程度由所加電場(chǎng)的大小來決定。

通過偏轉(zhuǎn)的距離和施加電壓的大小，能夠計(jì)算出子液滴所帶電量的多少。

3.結(jié)論

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用微流控芯片技術(shù)能夠精確的對(duì)微液滴的尺寸，分布和帶電量進(jìn)行控制。理論分析表明，通過測(cè)量在微流控芯片里偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)度和子液滴偏轉(zhuǎn)距離，能夠計(jì)算出微液滴所帶電荷量的大小。

基于微流控芯片的微液滴生成，充電，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)方便直觀，造價(jià)低廉，非常適合用來開設(shè)相關(guān)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀的觀察電荷在電場(chǎng)中的受力作用。

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作者簡介：

劉威（1979-），男，湖北天門人，副教授，博士，從事微流控芯片領(lǐng)域的研究工作。