壓電基片上微流分析器件研究

章安良，董良威

(1. 武夷學(xué)院 微電子系，福建 武夷山 354300；2.常州工學(xué)院 電子系， 江蘇 常州 213022)

0 引言

微流分析器件可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)室所完成的生化分析功能，它將常規(guī)實(shí)驗(yàn)室所用到的實(shí)驗(yàn)單元集成在微小基片上[1]。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的生化分析相比，微流分析器件上進(jìn)行的生化分析有較多優(yōu)點(diǎn)，如：較小的生化試劑消耗量，較小的分析時(shí)間，微流分析器件體積小及較小的人為引入誤差等[2-4]。因此，微流分析器件引起了國(guó)內(nèi)外專家的重視，并得到快速發(fā)展。每年都有大量的微流分析器件相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，已經(jīng)滲透到眾多學(xué)科，在毒品檢測(cè)、食物安全、DNA分析、單細(xì)胞分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療即時(shí)診斷等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[5-7]。

微流分析器件所用的材料與微流分析器件的發(fā)展緊密相關(guān)，從較早出現(xiàn)的硅、玻璃等為基片材料[8-9]，發(fā)展到聚二甲基硅氧烷(PDMS)等有機(jī)聚合物材料[10]，紙基片材料[11]和塑料材料[12]等。PDMS具有好的光學(xué)、機(jī)械特性，易成型且有較好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制作微流分析器件的材料[13]。

制作PDMS微流分析器件的常規(guī)方法主要有軟光刻和模鑄法，大多需要采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微流操作單元的制作;采用等離子體鍵合儀進(jìn)行密封鍵合，這需要昂貴的儀器設(shè)備，對(duì)于普通實(shí)驗(yàn)室研究有一定的局限性[14]，因此,需要研究一種工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需昂貴設(shè)備的PDMS微流分析器件制作方法。本文提出了一種簡(jiǎn)單、低成本、一次成型的PDMS微流分析器件的制作方法，無(wú)需MEMS設(shè)備和鍵合工藝步驟，適用于普通實(shí)驗(yàn)室制作微流分析器件進(jìn)行微流分析研究。由于聲表面波(SAW)有較好的操控微流能力，因此，SAW已廣泛應(yīng)用于微流分析進(jìn)行各種微流操作[15-17]。為此，本文探索在壓電基片上集成微流分析器件，利用SAW能量輻射引起的反應(yīng)液溫度上升來(lái)實(shí)現(xiàn)微流生化反應(yīng)，滿足有一定溫度要求的微流分析，拓展了其應(yīng)用場(chǎng)合。

1 實(shí)驗(yàn)

激發(fā)SAW的叉指換能器(IDT)采用集成電路工藝制作，對(duì)其施加適當(dāng)頻率(IDT聲同步頻率)的電信號(hào)時(shí)，IDT激發(fā)SAW，當(dāng)遇到壓電基片上微流體時(shí)，SAW向微流體輻射能量，提高微流體溫度。由于SAW輻射微流體的溫度特性[18]已有報(bào)道，故本文對(duì)其不再重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

為了降低微流分析器件的制作成本，提出的工藝簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)需鍵合的壓電基片上微流器件制作工藝如圖1所示。

圖1 壓電基片上微流器件制作工藝

為觀察壓電微流器件微流操作功能，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 微流輸運(yùn)及紙基器件上微流反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖2中，信號(hào)發(fā)生器(SP1461)用于產(chǎn)生IDT聲同步頻率的正弦波信號(hào)，并由功率放大器(TSA002A)放大，放大后的信號(hào)加載到IDT。試劑和反應(yīng)液通過(guò)進(jìn)樣器進(jìn)樣，微流操作由帶高靈敏度電荷耦合器(DCE-2)的顯微鏡進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果儲(chǔ)存于與其相連接的計(jì)算機(jī)中。MDVNT軟件用于攝像控制和圖像處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證所制作的微流器件功能，先對(duì)微流器件進(jìn)行微流體輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)。采用紅墨水溶液作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用進(jìn)樣器1在微流器件輸入口進(jìn)樣紅墨水溶液，觀察紅墨水溶液在微流器件中的輸運(yùn)。圖3為紅墨水溶液在所制作的微流器件中輸運(yùn)的視頻截圖。

圖3 紅墨水在微流器件中輸運(yùn)的視頻截圖

圖3(a)為微通道入口未注入紅墨水溶液狀態(tài)。圖3(b)為采用進(jìn)樣器1將紅墨水進(jìn)樣到微通道入口。圖3(c)～(e)為紅墨水溶液進(jìn)一步在微通道內(nèi)輸運(yùn)。圖3(f)為紅墨水溶液經(jīng)微通道輸運(yùn)到輸出口狀態(tài)。由圖3可知，在所研制的微流器件上可以實(shí)現(xiàn)微流輸運(yùn)，驗(yàn)證了微流器件的功能。

將微流器件貼合于壓電基片，可以充分發(fā)揮SAW的微流特性。本文采用SAW作用于微流，輻射能量，產(chǎn)生熱效應(yīng)，提高微流反應(yīng)溫度。將空白濾紙?jiān)谫|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%淀粉溶液中浸泡2～3 s后移出，常溫下自然晾干，并貼合在IDT旁。所制作的PDMS微流器件貼合于濾紙側(cè)面。將0.2 mol/L過(guò)二硫酸銨溶液和0.2 mol/L碘化鉀溶液分別通過(guò)進(jìn)樣器1、2進(jìn)樣到微流器件入口，并在微通道內(nèi)混合，經(jīng)微通道出口到達(dá)濾紙，與淀粉發(fā)生顯色反應(yīng)。同時(shí)，在IDT上施加功率27.8 dBm的電信號(hào)，激發(fā)SAW，輻射的SAW能量提高了顯色反應(yīng)液的溫度。圖4為0.2 mol/L過(guò)二硫酸銨溶液和0.2 mol/L碘化鉀溶液在微通道內(nèi)輸運(yùn)，并在濾紙上發(fā)生顯色反應(yīng)的視頻截圖。

圖4 碘化鉀溶液和過(guò)二硫酸銨溶液在微通道內(nèi)輸運(yùn)，并在濾紙上發(fā)生顯色反應(yīng)的視頻截圖

圖4(a)為反應(yīng)液未到達(dá)微通道入口狀態(tài)。圖4(b)～(d)為0.2 mol/L的碘化鉀溶液輸入微通道入口視頻截圖，0.2 mol/L的過(guò)二硫酸銨溶液由進(jìn)樣器2經(jīng)另一入口進(jìn)樣輸入；兩溶液進(jìn)樣到微通道后，在微通道內(nèi)輸運(yùn)、混合，到達(dá)出口，并與濾紙中淀粉進(jìn)行顯色反應(yīng)。圖4(e)為濾紙浸入淀粉溶液，移出并晾干后的狀態(tài)。圖4(f)為碘化鉀溶液和過(guò)二硫酸銨溶液的混合液經(jīng)微通道輸運(yùn)及混合后到達(dá)輸出口的狀態(tài)(為了便于輸出到濾紙基片，微通道出口進(jìn)行了部分切除)。圖4(g)為混合液進(jìn)一步擴(kuò)大，在一定體積(1.5 μL)時(shí)，混合液輸送到濾紙基片上(見(jiàn)圖4(h))，并與濾紙基片上淀粉發(fā)生顯色反應(yīng)(見(jiàn)圖4(i))。由圖4可知，壓電基片上可以集成微流器件，完成微流體輸運(yùn)、混合操作，并在SAW作用下，為濾紙基片上反應(yīng)液提供適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

為進(jìn)一步分析觀察濾紙基片上淀粉顯色反應(yīng)程度，對(duì)濾紙基片上顯色反應(yīng)前后的圖4(e)、(i)進(jìn)行灰度計(jì)算，圖5為其灰度圖。

圖5 顯色反應(yīng)前、后灰度圖

由圖5可知，顯色反應(yīng)后的灰度值明顯下降。

3 結(jié)論

本文提出了一種新的微流器件制作方法，詳細(xì)描述了其制作工藝過(guò)程，并在壓電基片上集成濾紙基片，反應(yīng)液通過(guò)微流器件進(jìn)行輸運(yùn)、混合，到達(dá)濾紙基片，實(shí)現(xiàn)淀粉顯色反應(yīng)。所提出的微流器件制作方法的主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)需昂貴的MEMS技術(shù)和微流器件的等離子體鍵合設(shè)備，為普通實(shí)驗(yàn)室制作微流器件進(jìn)行微流分析創(chuàng)造了條件。采用所研制的微流器件實(shí)現(xiàn)了紅墨水溶液輸運(yùn)，并在聲表面波能量輻射下，實(shí)現(xiàn)了濾紙上淀粉顯色反應(yīng)。由本文工作可得如下結(jié)論：

1) 提出的微流器件制作工藝可以制作微流器件，并能實(shí)現(xiàn)微流分析。

2) 研制的微流器件可以集成于壓電基片上，并可借助聲表面波的能量輻射作用，為微流分析提供反應(yīng)溫度條件。