生物檢測中微流控電化學(xué)芯片設(shè)計

善盈盈，李 琛，郭黎明

（1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械技術(shù)系，浙江 杭州 310052；2.中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展進步，生物安全在人們的日常生活中越發(fā)受到重視，如何快速準確對致病生物源進行分析識別掌控，也成為解決生物安全問題首要難題。微流控技術(shù)在生物病毒檢測中被廣泛應(yīng)用，微流控（Microfluidics）是指使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體的系統(tǒng)所涉及的技術(shù)，是一門新興交叉學(xué)科［1］。由于微流控器件具有小型化、集成化的特點，常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（Micro-Total Analytical System）［2］。

微流控芯片技術(shù)是將樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作集成到芯片上，自動完成分析檢測的全過程［3］。利用微流控芯片進行生物病毒檢測時，微流試劑攜帶病毒抗原在微米級的流道中運動，與固定在微流道壁面的特定抗體充分結(jié)合后發(fā)生反應(yīng)，從而確定生物病毒的種類，如圖1所示。由于微流道尺度微小，微流試劑流速較慢，為實現(xiàn)準確快速的生物病毒檢測，須使抗原、抗體、微流試劑組成的多元復(fù)雜流場打破在流道內(nèi)的層流狀態(tài)，才能實現(xiàn)多元流場的充分混合。

圖1 微流控芯片近壁區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of Microfluidics Near Wall Area

國內(nèi)外眾多學(xué)者對于微流控流道中溶液混合進行了大量研究。文獻［4］利用在流道中設(shè)置一系列圓柱等障礙物的方法來影響微流體的流動。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示流體混合效果得到顯著改善，同時除圓柱形障礙物，在流道內(nèi)放置平板型障礙物亦可以對流體的混合起到一定的促進作用。文獻［5］利用微電機對微流控平臺中，聚電解質(zhì)多層結(jié)構(gòu)下的黏彈性微流體混合效果進行流場調(diào)控實驗，實驗結(jié)果表明流場紊流增強效果明顯。文獻［6］利用Coanda效應(yīng)制作出了Coanda效應(yīng)混合器，在該混合器中，回流流體和主流流體之間產(chǎn)生強烈的混沌對流現(xiàn)象，從而改善混合效果。

這里以微流控芯片中典型I型流道對研究對象，對微流道內(nèi)流場形態(tài)進行有限元數(shù)值模擬，得到了I型流道的流態(tài)參數(shù)，以數(shù)值模擬結(jié)果中的微流場參數(shù)為依據(jù)，確定了抗原抗體的快速混合反應(yīng)區(qū)，為電化學(xué)微流控芯片檢測法中金箔電極的設(shè)置提供了理論依據(jù)。這里所研究的微流場內(nèi)的流體運動狀態(tài)，對增強微流控芯片中抗原抗體的混合效果、提高生物病毒快檢技術(shù)的檢測效率有著重要意義。

2 微流控芯片內(nèi)微流道流場分析

這里的微流控芯片采用電化學(xué)阻抗法進行生物病毒檢測，因此需要在微流場內(nèi)流體運動較劇烈的區(qū)域布設(shè)金箔電極，通過生物病毒抗原抗體結(jié)合反應(yīng)所引起的金箔阻抗變化，進而對生物病毒濃度進行確定［7］。若要實現(xiàn)準確快速的生物病毒識別，則需要微流道內(nèi)生物病毒抗原抗體的快速、充分結(jié)合，也就是需要對微流道內(nèi)流體運動進行激勵，使流體盡可能的充分混合［8］。因此，這里通過對微流控芯片內(nèi)微流體運動形態(tài)進行數(shù)值模擬研究，得到微流道中流體運動最劇烈、最易于抗原抗體混合反應(yīng)的區(qū)域，進而指導(dǎo)金箔電極的布設(shè)。

流場內(nèi)的流體運動形態(tài)主要取決于流場的雷諾數(shù)（Reynolds Number，Re），雷諾數(shù)越大，流體運動越劇烈。Re＜2320時，流體處于層流狀態(tài)；Re＞4000時，流體處于湍流狀態(tài)；2320＜Re小于4000時，流體處于層流湍流的過度狀態(tài)［9］。

雷諾數(shù)的計算為：

式中：υ—流體在流道的速度；ν—流體的運動粘度；ρ—流體密度；μ—流體的動力粘度；D—流道的等效水力直徑。

當(dāng)微流道中流體能夠達到湍流狀態(tài)時，流體中抗原抗體的結(jié)合較為充分。這里微流控芯片中微流道尺寸為100μm，流道內(nèi)流體流速為10mL/min。微流道中流體為緩沖液與抗原的兩相流混合流體，緩沖液以水（H2O）為主，同時由于抗原數(shù)量較少，尺寸較小，所以密度和粘度均參考水（H2O）的相關(guān)參數(shù)。將流速換算后，υ為0.0473m/s。此時，流體的雷諾數(shù)較小，遠達不到湍流的要求。

因此，需要通過對微流道中流體運動形態(tài)參數(shù)的數(shù)值模擬，判斷流道中各處微流場的流體特征，為微流控芯片中金箔電極的設(shè)計提供理論依據(jù)，從而實現(xiàn)生物病毒的快速、準確的識別。

3 微流場數(shù)值模擬研究

這里采用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對I型微流道進行數(shù)值模擬仿真研究，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定金箔電極的最佳敷設(shè)區(qū)域，進而對微流控芯片進行設(shè)計加工。

3.1 邊界條件的設(shè)定及網(wǎng)格劃分

邊界條件中，液相設(shè)定為水（H2O），此時不考慮特殊情況，設(shè)定水的密度為1000［kg/m3］，水的粘度為1e-3［Pa*s］，設(shè)管道直徑d0為0.1mm。水的初速度為0.04［m/s］；根據(jù)計算所得，初始雷諾數(shù)為120。入口設(shè)置為層流入口，入口速度選擇法向流入速度，其值為0.04m/s，溫度設(shè)定為常溫273.15K。

圖2 I型流道網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Diagram of Type I Flow Channel Grids

3.2 微流場數(shù)值模擬實驗結(jié)果

3.2.1 流體速度數(shù)值模擬研究

這里主要對微流道內(nèi)的流體運動形態(tài)進行研究，而流體形態(tài)取決于流體的雷諾數(shù)，所以根據(jù)雷諾數(shù)的計算公式，著重考慮流道內(nèi)流場速度的分布，因此對I型流道內(nèi)的速度分布及雷諾數(shù)變化進行數(shù)值模擬研究。微流道內(nèi)流體運動的速度分布圖，如圖3所示。其中，橫截面下的速度云圖，如圖3（a）所示。縱截面的速度云圖，如圖3（b）所示。流體速度分布曲線，如圖3（c）所示。由圖可得，流體在流道中運動時，流道中心速度最大，能夠達到0.085m/s，由于受到流道壁面摩擦作用，越靠近壁面流體運動速度越小，壁面速度僅為0.01m/s，難以實現(xiàn)流體湍流激勵。

圖3 微流道內(nèi)流體流速分布Fig.3 Distribution of Fluid Velocity in Micro Flow Channel

3.2.2 流場雷諾數(shù)數(shù)值模擬研究

為了判斷微流道中流體的運動形態(tài)變化，在流道中縱向選取7個觀測點，對觀測點的流場雷諾數(shù)進行計算，取點位置，如圖4所示。

圖4 微流道內(nèi)觀測點示意圖Fig.4 Diagram of Observe Points in Micro Flow Channel

流體在7個觀測點處的雷諾數(shù)隨時間變化的曲線，如圖5所示。由圖可得，在數(shù)值模擬實驗中，在迭代計算到0.1s時候，流體運動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。其中，雷諾數(shù)最高的點出現(xiàn)在點3（距離入口處10mm處），雷諾數(shù)為85.2，最低點出現(xiàn)在點7（微流道出口處），雷諾數(shù)為83.6。除流道入口處以外，其余各點的雷諾數(shù)值隨著流道的深入而依次降低。數(shù)值模擬實驗結(jié)果與實際情況基本吻合。但是由于微流道管徑較小，初速度較低，流體在流道內(nèi)全過程的雷諾數(shù)整體較低，所以流體處于層流狀態(tài)，還未達到湍流。

圖5 微流道觀測點雷諾數(shù)變化曲線Fig.5 Curve of Observe Points Reynolds Number in Micro Flow Channel

考慮到用于測量的金箔電極處于流道的下底面，若流體對壁面壓力較大，則能夠促使抗體向流道底部金箔電極上的抗原移動，增加抗原抗體的結(jié)合幾率。因此，這里針對流體對流道壁面的壓力分布進行數(shù)值模擬實驗，探究更能夠提高檢測效率的微流道區(qū)域。

3.2.3 流場壓力分布數(shù)值模擬研究

微流道內(nèi)壓力分布，如圖6所示。由圖可得，微流道內(nèi)壓力最大處為流體入口處，壓力約為（1.4×103）Pa，并隨著流體的運動壓力逐漸衰減，流經(jīng)入口后三分之一處時，壓力約為（1.2×103）Pa，流經(jīng)入口后三分之二處時，壓力約為（0.6×103）Pa，在流道出口處壓力最小，壓力約為（0.2×103）Pa，符合壓力實際衰減規(guī)律。

圖6 微流道壓力分布云圖Fig.6 Distribution of Fluid Pressure in Micro Flow Channel

綜上所述，對于微流控芯片設(shè)計而言，需綜合考慮微流體的流態(tài)以及對壁面的壓力。因此，在利用電化學(xué)法設(shè)計面向生物病毒檢測的微流控芯片時，可將金箔電極布設(shè)在微流道入口后三分之一處，在此種設(shè)計情況下，能夠充分保證微流體中的抗原與附著在底面金箔電極上的抗體的結(jié)合效率。

4 面向生物病毒檢測微流控芯片的設(shè)計

這里設(shè)計了含金箔電極的微流控阻抗檢測芯片，在結(jié)構(gòu)上分為三層，分別為基底層、通道層和蓋片層，設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示。

圖7 微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of Microfluidics Chip

所設(shè)計的微流控芯片基底層采用玻璃材質(zhì)，通道層和蓋片層采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），并利用SU-8 陽膜制作出微流道［10］。根據(jù)這里數(shù)值模擬實驗結(jié)果，在玻璃基底距離微流道入口三分之一處，通過磁控射頻濺射法噴射厚度為100nm 的金箔，并采用濕法蝕刻技術(shù)雕刻出微叉指陣列電極的圖案，同時利用磁控射頻濺射法噴射厚度為10nm 的Cr 層，以提高金箔與玻璃的粘結(jié)度。

微流控芯片設(shè)計圖與實物圖，如圖8所示。金箔電極的設(shè)計參數(shù)為：電極對數(shù)20對、電極高100nm、長0.6mm、寬15μm、電極間距15μm。微通道的設(shè)計參數(shù)為：長7mm、寬0.5mm、深100μm；儲液池和廢液池的參數(shù)為：直徑3mm，深100μm；微反應(yīng)室的體積為：（1.2×0.5×0.1）mm=60nL。在蓋片層對應(yīng)儲液池和廢液池的中心打孔，直徑為0.5mm，連接導(dǎo)管用于試劑的輸入和排出。

圖8 微流控芯片設(shè)計圖及實物圖Fig.8 Diagram of Microfluidics Chip

面向生物病毒的微流控檢測系統(tǒng)示意圖，如圖9所示。這里設(shè)計的微流控芯片將與Harvard注射泵、電化學(xué)工作站及計算機構(gòu)成生物病毒檢測系統(tǒng)。注射泵通過直徑為0.5mm的鋼針和軟導(dǎo)管與微流控芯片的入口相連；反應(yīng)模塊包括微流控芯片、金叉指電極，為生物病毒從捕捉到免疫反應(yīng)所產(chǎn)生的阻抗變化提供平臺；檢測模塊包括電化學(xué)工作站和計算機，電化學(xué)工作站與微流控芯片的金箔電極連接，對金箔電極上產(chǎn)生的阻抗變化信號進行檢測。

圖9 面向生物病毒的微流控檢測系統(tǒng)示意圖Fig.9 Diagram of Microfluidic Detection System of Biological Virus

5 結(jié)論

這里針對電化學(xué)方法進行生物病毒檢測中，如何使抗原抗體在微流控芯片微流道內(nèi)快速、充分混合并進行生物反應(yīng)的問題，利用COMSOL有限元分析方法對微流道內(nèi)流場進行數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果顯示在微流道中，流體最大流速為0.085m/s，最大雷諾數(shù)為86.2，遠達不到湍流狀態(tài)；因此進行流體對微流道壁面壓力分布數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，流體在微流道入口至出口處，壓力從（1.4×103）Pa衰減至（0.2×103）Pa。綜合數(shù)值模擬實驗結(jié)果，確定了電化學(xué)方法中金箔電極敷設(shè)的最佳區(qū)域為微流道入口后三分之一處?；跀?shù)值模擬試驗結(jié)果對微流控芯片進行制作，并設(shè)計了面向生物病毒的微流控檢測系統(tǒng)，為提高生物檢測技術(shù)效率提供了技術(shù)支持。