微陣列芯片點(diǎn)樣微噴系統(tǒng)研制*

鄭敏捷，謝　洋，趙啟焱，尤　暉

(1.中國科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥　230031; 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安微 合肥　230026)

0　引　言

微陣列芯片是指采用微量點(diǎn)樣法或光導(dǎo)原位合成法，將大量生物大分子有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記的待測生物樣品中靶分子反應(yīng)，通過激光共聚焦掃描儀或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī)對(duì)反應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量[1-3]。其中微點(diǎn)樣法具有廉價(jià)、易操作，設(shè)備要求低等特點(diǎn)，已經(jīng)在市場上得到了較為廣泛的應(yīng)用。微點(diǎn)樣法可以分為接觸式點(diǎn)樣和非接觸式點(diǎn)樣。

接觸式點(diǎn)樣是使用實(shí)心的或者空心的微針蘸取樣品試劑，然后采用接觸點(diǎn)樣的方法和微陣列芯片表面接觸，形成微液滴陣列。該方法操作簡單，能夠形成高密度微滴陣列，且液滴位置均勻性好[4]。但是這種點(diǎn)樣方式每次蘸取的生物試劑體積較小，點(diǎn)樣時(shí)需要不停重復(fù)蘸取試劑，從而導(dǎo)致點(diǎn)樣效率低下。此外初期點(diǎn)樣的液滴體積比較大，后期點(diǎn)樣的液滴體積會(huì)越來越小，結(jié)果是液滴的體積均勻性往往比較差。并且進(jìn)行不同樣品的點(diǎn)樣時(shí)需要清洗點(diǎn)樣針，清洗不徹底會(huì)導(dǎo)致試劑混染。非接觸式點(diǎn)樣的原理則類似于噴墨打印機(jī)，即利用振動(dòng)裝置將容器或者管道內(nèi)試劑從微孔中噴發(fā)出來，在微陣列芯片表面形成微液滴陣列。非接觸式點(diǎn)樣具有液滴均勻性好，點(diǎn)樣效率高等特點(diǎn)，并且避免了接觸式點(diǎn)樣中存在的試劑交叉污染問題。從振動(dòng)裝置的類型來分，可以分為壓電式[5]、氣壓式[6]、沖擊式[7]、和電磁式[8]等。

但是非接觸式點(diǎn)樣儀的噴頭一般需要采用微加工工藝制得，其成本較高。目前，非接觸式點(diǎn)樣的噴頭多數(shù)需要輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)液滴的分發(fā)，這樣就造成單個(gè)噴頭體積大，難以集成化形成高密度陣列，從而影響點(diǎn)樣效率。此外，非接觸式點(diǎn)樣噴頭一般是不可拆卸式的，如果噴頭堵塞，清洗較麻煩。并且一個(gè)噴頭只能用于一種試劑，這極大的限制了噴頭的通用性。

基于上述缺陷，研發(fā)了一種非接觸式的新型組合式點(diǎn)樣微噴系統(tǒng)，避免了接觸式點(diǎn)樣針易于交叉污染的問題。該微噴系統(tǒng)采用了數(shù)控加工方式制得，相對(duì)于微加工方法，成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)。并且組合式的微噴結(jié)構(gòu)使得噴頭及管道易于清洗，避免了傳統(tǒng)非接觸式點(diǎn)樣噴頭易于堵塞的問題。此外，該微噴系統(tǒng)管道尺寸較小，易于集成化，增加了點(diǎn)樣效率。

1　組合式點(diǎn)樣噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

如圖1(a)所示，微噴點(diǎn)樣系統(tǒng)由上蓋板、硅膠密封層和管道層組成。上蓋板和管道層擠壓硅膠密封層從而形成密封管道。樣品試劑由進(jìn)樣管進(jìn)入管道，由于毛細(xì)管力的作用流至微噴口處。當(dāng)需要噴發(fā)液滴時(shí)由外部電磁繼電器沖擊沖針，沖針繼而擠壓硅膠密封層，在微噴口上方產(chǎn)生振動(dòng)，從而使得微液滴從噴口處噴出。

噴頭的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，該材料具有高透明,價(jià)格低廉,容易加工等特點(diǎn)。PMMA是無毒環(huán)保的材料，具有很好的生物兼容性。強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～8倍?？估瓘?qiáng)度60～70 N/mm2，耐壓強(qiáng)度120～140 N/mm2，耐沖擊性比聚苯乙烯好。此外它還有不易破碎的特點(diǎn)[9-10]。

圖1　點(diǎn)樣微噴系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖　　　1.進(jìn)樣口　2.上蓋板　3.管道　4.管道層　5.沖針　6.硅膠密封層　7.微噴口

點(diǎn)樣噴頭的微噴孔直徑一般在300 μm以下。按照目前市場比較常見的鉆頭尺寸，一般精密數(shù)控加工最小可以加工成型50 μm的微噴孔。而利用離子束加工成型的銑刀最小可以做到22 μm,已經(jīng)達(dá)到MEMS尺度。但是由于需要特種高精度機(jī)床，而加工刀具需要定制，成本較高，這里不做探討研究。噴頭的加工由于采用高精密數(shù)控加工，方便快捷，精度較高，成本較低。但需要大規(guī)模市場化應(yīng)用時(shí)，可以采用注塑或者熱壓成型方式，可以進(jìn)一步壓縮成本。具有很高的市場應(yīng)用性。加工成型后的陣列點(diǎn)樣噴頭部件如圖1(b)所示(從左往右依次為上蓋板、硅膠密封層、管道層和沖針)。

1.1　微噴系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)

1.1.1管道內(nèi)不同間距的流速理論及模型

毛細(xì)現(xiàn)象是大自然中比較常見的一種現(xiàn)象。毛細(xì)作用在微小尺寸的管道內(nèi)對(duì)于流體的作用尤其明顯。在一定尺寸范圍內(nèi)毛細(xì)力的大小滿足：

F=σL

式中：σ為液體表面張力系數(shù)，N/m；L為液固接觸線長，m[11]。

如圖3所示，將可拆卸式點(diǎn)樣噴頭的硅膠密封層和管道層簡化成兩塊板之間流過的液體，流場為垂直于紙面由里朝外。取間距為分別為H1、H2、H3，上下長度均為L/2的垂直區(qū)段，則各段所受的毛細(xì)力均為F=σL。則影響微管道內(nèi)的流體加速度及速度的因素為兩塊夾板間距間的單位質(zhì)量，并最終反映到間距H。但是實(shí)際微管道內(nèi)流場的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此簡化模型。

圖2　管道簡化模型

1.1.2變間距的理論模型驗(yàn)證

如圖3(a)所示，由兩塊PMMA一邊墊高H，從而形成從左往右不斷減小的間距。設(shè)置L為固定值80 mm,H取為1 mm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示。可以明顯觀測到夾板的間距越小，液體擴(kuò)張速度越快。

圖3　變間距模型及實(shí)驗(yàn)

1.1.3毛細(xì)管進(jìn)樣中可能產(chǎn)生的問題

如圖4(a)所示，由于微噴孔尺寸較小，依靠毛細(xì)力進(jìn)樣時(shí)容易堵塞微噴孔導(dǎo)致部分氣體不能排出。而一般情況下液體可以看成不可壓縮，而氣體是可以壓縮的。這就導(dǎo)致沖針的振動(dòng)會(huì)被遺留在管道內(nèi)的氣體吸收緩沖，從而影響微液滴的噴發(fā)。如何解決管道內(nèi)的氣泡遺留就是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

1.1.4毛細(xì)管管道設(shè)計(jì)

毛細(xì)管的管道在微噴孔處采用階梯式結(jié)構(gòu)如圖4(b)。由于在管道邊緣處，除了上下夾板的液固接觸線，還有側(cè)壁的液固接觸線。這就導(dǎo)致邊緣處受到的毛細(xì)力比中間的大。就如同毛細(xì)玻璃管插入水中，液面邊緣形成凸起一樣。而管道內(nèi)中間的階梯部分由于間距較大，所以受力較小，進(jìn)樣速度小于邊緣處。這樣進(jìn)樣過程中就不容易產(chǎn)生氣泡。而最終加工管道及噴孔如圖4(c)、(d)。

圖4　微噴管道進(jìn)樣過程及最終成品

1.2　噴口的疏水性處理

經(jīng)接觸角測量儀測量PMMA的接觸角在68°左右如圖5(a)所示，屬于親水性材料。所以在微噴口附近容易集聚水滴如圖5(b)所示，從而影響液滴的噴發(fā)。采用疏水化處理后的PMMA接觸角為100°如圖5(c)，達(dá)到了疏水效果。

圖5　PMMA接觸角及集聚水滴現(xiàn)象

1.3　硅膠薄膜層厚度對(duì)系統(tǒng)的影響

對(duì)于文中研制的組合式點(diǎn)樣噴頭，硅膠薄膜既是密封層又是振動(dòng)層。硅膠層的厚薄影響到部件的密封以及液滴的噴發(fā)。硅膠薄膜過薄會(huì)影響到組合式噴頭的密封。而硅膠薄膜過厚，則會(huì)產(chǎn)生減振效果，從而阻礙液滴噴發(fā)效果。綜合實(shí)驗(yàn)比較，最終選擇厚度為0.6 mm的硅膠薄膜。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

微噴系統(tǒng)的點(diǎn)樣激發(fā)裝置采用DC-24 V分合閘電磁鐵。由LM1819C直流穩(wěn)壓電源供電。點(diǎn)樣測試采用由承德鼎盛公司生產(chǎn)的JY-82C接觸角測量儀來觀察液滴大小及接觸角，然后換算成體積進(jìn)行比較。

2.1　驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)液滴大小的影響

電磁鐵對(duì)沖針的沖擊力隨著驅(qū)動(dòng)電壓的變化而改變，電壓越大電磁鐵的響應(yīng)越大，而沖針受到的沖擊力的大小與生成的液滴大小有著密切的關(guān)系。測試實(shí)驗(yàn)采用的微噴噴頭的孔徑為0.2 mm。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于2.0 V時(shí)，電磁鐵的沖擊頭無法觸及沖針；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于 5.0 V時(shí)，電磁鐵無法可靠的擊打出微液滴;而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于12 V時(shí)，液滴破碎嚴(yán)重，衛(wèi)星滴較多；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓在5～12 V時(shí)，該微噴系統(tǒng)可以可靠的噴發(fā)微液滴。

如圖6所示是在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下微噴系統(tǒng)噴發(fā)的液滴的形貌。可以看出，隨著電壓的增大液滴的尺寸逐漸增加。其中當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為5 V時(shí)，得到的最小微液滴為15 nL。如圖7是微液滴體積與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系圖?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)電壓與液體體積呈現(xiàn)出線性增加的關(guān)系。

圖6　不同驅(qū)動(dòng)電壓生成的液滴大小對(duì)比

圖7　電壓大小與液滴大小關(guān)系

2.2　噴孔大小對(duì)液滴大小的影響

噴孔的大小對(duì)液滴的大小有直接的影響。微液滴的噴發(fā)需要達(dá)到一定的閥值電壓后，才能穩(wěn)定的噴出。表1為各直徑噴孔在閥值驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)下噴發(fā)的微液滴的大小?？梢钥闯鰢娍椎闹睆街苯佑绊懙揭旱误w積的下限以及驅(qū)動(dòng)電壓的閥值。噴孔的直徑越小，微液滴體積的下限和閥值驅(qū)動(dòng)電壓也越小。

表1　閥值電壓下各噴孔對(duì)應(yīng)的液滴噴發(fā)體積

2.3　噴孔大小對(duì)液滴均勻性的影響

噴孔的大小對(duì)液滴的均勻性有著顯著的影響。而各種直徑噴孔的最小噴發(fā)液滴體積是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，直接影響了微陣列芯片的密度。

如圖8所示為閥值電壓下的各種直徑噴孔的噴發(fā)液滴均勻性比較?？梢杂^察到隨著噴孔直徑的增加，噴發(fā)微液滴的下限體積增加，并且噴發(fā)的微液滴體積波動(dòng)增加。

圖8　閥值電壓下液滴均勻性比較

圖9為額定電壓為6 V時(shí)液滴的均勻性分布圖?？梢杂^察到隨著噴孔直徑的增加，噴發(fā)的微液滴的體積增加，并且微液滴體積波動(dòng)增加。

圖9　額定電壓為6 V時(shí)液滴均勻性比較

由表2可知，無論是在閥值電壓下還是額定的6 V電壓下，噴口直徑越大微液滴方差越大，但是變異系數(shù)(CV值)的變化卻不明顯。這說明了隨著噴孔直徑的增加，液滴體積的波動(dòng)增加，但是仍舊小于直徑增加的變化率。

表2　額定電壓為6 V不同直徑噴孔液滴均勻性比較

3　結(jié)　論

介紹的非接觸式微陣列芯片點(diǎn)樣儀微噴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用可拆卸式。相較于傳統(tǒng)的針式有液滴均勻不易交叉感染的特點(diǎn)。而相較于一般的不可拆卸的非接觸式微噴頭具有易于清洗，堵塞噴孔易處理的特點(diǎn)。采用精密數(shù)控加工的方法極大的降低了微噴頭的生產(chǎn)成本及時(shí)間成本。此外，由于管道尺寸較小，可以采用集成式的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加點(diǎn)樣效率。經(jīng)過測試液滴大小達(dá)到納升數(shù)量級(jí)，可以滿足點(diǎn)樣需求。在設(shè)計(jì)及加工方法具有極高可行性。未來將具有極大的市場前景。