2016, Vol. 48
2. 黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 150001 哈尔滨
2. College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, 150001 Harbin, China
微流控芯片是利用MEMS技术，将微沟道、微储液池、混合器及检测器等功能单元，集成在几平方厘米大小的基底材料上，采用适当的键合方法将其封闭，从而实现对试样的富集、混合、分离和检测[1].与传统的分析检测方法相比，微流控芯片不但集成了如液体操控[2-3]、生化检测[4-5]、成分分析[6-7]等诸多功能，还大幅度简化了操作步骤，减少了试剂消耗.作为微流控芯片的重要组成部分，微混合器不但可以有效地控制扩散和混合，为后续的化学检测和生物分析提供所需的条件，还缩短了试剂预处理时间，提高分析速度和操作效率[8-9].根据是否有外加能量场，微混合器可分为：主动式微混合器和被动式微混合器[10]两大类.主动式微混合器是利用如电场、磁场、超声等外部激励来促进混合.被动式微混合器是利用微流体的扩散、对流作用，在没有外部激励的条件实现混合.除了驱动装置，被动式混合器不需要其他辅助设备，因此，它更加易于集成在复杂的微流控系统中.
最简单的被动混合器是T-型和Y-型混合器，它们结构简单，易于制作，主要依靠扩散作用混合，需要较长的混合通道，混合效率不理想.目前，T-型和Y-型混合器主要被当作进液口，与其他混合器联合使用[11-12].混沌混合是目前应用最广泛的被动式微混合器设计思想，它依靠精巧的微结构，使流体发生分割、拉长、折叠和扭曲等现象促进混合进程[13-14].但随着微流控芯片的功能日益完善，对微混合器的效率也提出了更高的要求.利用微结构在三维空间的急剧变化，让流体在不同维度均产生拉伸与折叠，可以在低雷诺数条件下诱导湍流的产生，并不断加强这种形式的流动, 三维混沌混合器应运而生.目前，最为常见的三维结构芯片加工方法有：玻璃基材采用激光刻蚀工艺[15-17]加工，但玻璃芯片质地硬脆不适合携带，且用于激光刻蚀工艺的飞秒激光器价格昂贵，因此玻璃芯片已经逐步被聚合物芯片取代.聚合物材料主要分为柔性聚合物材料和刚性聚合物材料两种.柔性聚合物基材(PDMS、SU-8)采用软光刻(soft lithography)和注塑工艺[18-20]，并利用自身黏性键合.其优点是图形精度高，键合方法简便，但材料质地柔软导致结构极易变形，且加工成本高，不适合大规模生产.硬质聚合物基材(PMMA、PC)采用热压[21-22]与微机加工工艺制作微结构，随着MEMS技术的发展，图形精度已经可以与柔性聚合物材料相比，但键合工艺阻碍了其在三维结构芯片中的应用.传统的热压键合，结构形变量大[23]，而黏接法又容易导致沟道阻塞[24].因此，目前刚性聚合物多与其他材料共同使用，得到复合材质芯片[25-26].因此只有解决键合问题，刚性聚合物才能在三维结构微流控芯片中得到更广泛的应用.
本文设计并制作了一款三维阶梯结构微混合器.该混合器由一个T-型进样沟道和6个阶梯混合单元结构组成，利用阶梯结构产生的混沌流，促使液体在低雷诺数条件下快速均匀混合.芯片使用超精密雕刻机在PMMA基材上制作微米级结构.采用有机溶剂混溶浸泡键合法[27]，在低温常压条件下，实现芯片的无损封合.整个制作过程无需大型设备和超净环境，为三维结构微流控芯片的推广和普及提供了新思路.
1 混合器设计与制作 1.1 混合器设计依据斯梅尔斯提出马蹄变化思想[28-29]，本文从T-型混合器出发，经过“挤压拉伸”，“弯曲折叠”等流型变换，设计了一款阶梯型微混合器.流体操作过程如图 1所示.
|
图 1 基于马蹄变换的阶梯混合器设计流程 |
本文通过COMSOL Multiphysics软件研究了混合器的性能，并对混合器结构进行了优化设计.芯片中微流体的雷诺数(Re)为
|
(1) |
式中：ρ为液体密度；u为液体流速；η为液体的动态黏滞系数，当沟道中的液体为水溶液时，ρ=1 000 kg/m3，η= 0.001 Pa·s；L为流束的特征长度.
由于设计中的微沟道横截面不是圆形，其特征长度为
|
(2) |
式中：A为有效流经面积，x为液体有效截面的周界长度.当微沟道横截面为300 μm×300 μm正方形时，其特征长度为L=300 μm.本文计算得到，当流速为3.34 mm/s时，管道内流体的Re=1，流动状态为层流.
因此，可采用连续性假设和纳维-斯托克斯方程为基础建立台阶结构微混合器数值仿真模型.为了表征混合器性能，同时建立经典的蛇形混合器仿真模型.图 2是当Re=1，蛇形混合腔与台阶混合腔表面、横截面浓度分布图.图 2中黑色与灰色分别代表两种不同质量分数的试剂，它们之间的颜色梯度代表混合的均匀程度.当试剂经过蛇形混合器后，分为上、下两层，但流体间界面仍然非常清晰，混合并不彻底.而当流体经过阶梯混合器后，流体界面模糊不清，颜色梯度也趋于一致，混合效率大幅提升.
|
图 2 混合腔表面及横截面质量浓度分布 |
引入混合腔横截面上的组分质量浓度方差σ来精确表征混合程度为
|
(3) |
式中：N为混合腔横截面上浓度值采样个数；Ci为横截面上采样点的组分质量浓度；C为横截面上组分质量浓度的统计平均.当σ≤0.1时，视为充分混合.图 3中列出了9种不同阶梯结构在Re=1时的质量浓度方差.当台阶结构尺寸为：H1=0.50 mm、W1=0.50 mm；H2=1.00 mm、W2=0.50 mm；H3=0.50 mm；W2=0.50 mm时(结构A)，混合器达到充分混合的距离约为4 mm.以结构A为参照，当第1级和第3级台阶宽度增加时(结构B：W1= W3=0.75 mm；结构C：W1= W3=1.00 mm)，结构B在7 mm处实现充分混合，而结构C在9 mm处实现充分混合.说明当第1级和第3级台阶宽度增加时混合效率下降.当第1级和第3级台阶高度增加时(结构D：H1= H3=0.75 mm；结构E：H1= H3=1.00 mm)，达到充分混合的距离仍在4 mm附近，混合效率变化不明显.结构F~I为第1级、第3级台阶的高度和宽度一定时(H1=H3=0.50 mm；W1= W3=0.50 mm)，第2级台阶高度(H2)和宽度(W2)的变化对混合的影响.从曲线中可以看出，无论是高度还是宽度改变，混合效率的变化都不大，均在4 mm附近实现充分混合.
|
图 3 不同阶梯混合腔结构和质量浓度方差曲线 |
随后，以混合腔结构A为模型，研究了Re对质量浓度方差的影响.图 4为Re在0.1~5.0范围内变化时的质量浓度方差曲线.从图 4中可以看出，质量浓度方差曲线在Re=1.5的附近发生了转折，当Re＜1.5时，随着Re的增大，曲线呈下降趋势；当Re＞1.5时，随着Re的增大，曲线呈上升趋势.这是因为在低流速条件下，分子扩散作用占据混合的主导地位.混合主要由时间和流体接触面积决定，时间越长、接触面积越大，混合效率越高.但随着Re的增加，流体在混合腔内的混合时间缩短，混合效率因此下降，并在Re=1.5附近降到了最小值.当Re进一步增大，混沌流逐步占据了主导地位.此时，随着Re的增大，混沌流增强，混合也随之改善.
|
图 4 不同Re下的质量浓度方差曲线 |
以图 3中的结构A为模型，设计了混合器芯片.混合器芯片由两块带有微结构的PMMA基片组成，如图 5所示.其中T-型进样沟道的截面尺寸为：宽×高=0.3 mm×0.3 mm，阶梯混合腔的整体尺寸为：长×宽×高=12 mm×3 mm×2 mm.
|
图 5 三维阶梯混合器结构示意 |
微混合器芯片的制作主要包含：微结构的制作和芯片的组装.使用超精密雕刻机和微型铣刀(VIP3530，威力泰电子设备有限公司，北京)在PMMA(石金成金属塑胶制造厂，东莞)基底材料上制作微米级三维结构.随后使用有机溶剂混溶浸泡法对带有微结构的PMMA进行键合，键合所用无水乙醇、三氯甲烷等试剂均为分析纯(天津科密欧化学试剂公司，天津).键合过程简要描述如下：
1) 将PMMA基片超声清洗清洗干净后(无水乙醇、去离子水各5 min)烘干备用；
2) 按体积比V乙醇:V三氯甲烷=10:1配制无水乙醇与三氯甲烷混溶溶液；
3) 将待键合基片在混溶溶液中润湿，在显微镜下组装并使用石英玻璃卡具固定.组装过程中应确保键合界面间没有气泡；
4) 将芯片和卡具一同放入盛有混溶溶液的培养皿中，迅速将培养皿放入干燥箱.在40 ℃条件下，静置10 min，即可完成芯片键合.图 6为芯片和混合腔结构照片.
|
图 6 三维阶梯混合器实物图 |
配制浓度为1 mol/L的异硫氰酸荧光素(FITC)和罗丹明B作为示踪剂；使用微量注射泵为流体提供动力(SN-50F6, 深圳圣诺医疗设备有限公司，深圳)；使用荧光显微镜观察混合器内的流体运动情况(IX71, 奥林巴斯(中国)有限公司，北京)；使用开源软件ImageJ完成图像的后期处理.当Re=1.5时，混合器内的流体运动情况如图 7所示.图 7中显示了6个阶梯混合单元内流体颜色变化情况.在混合单元1中，2种示踪剂颜色鲜艳，界面清晰；在混合单元2中，液体界面仍然清晰但是示踪剂颜色已经不再鲜艳；混合单元3中，流体界面开始变得模糊；混合单元5中，界面几乎消失，示踪剂也已灰色为主，混合基本充分.
|
图 7 Re=1.5时的混合器荧光照片 |
室温(25 ℃)下配制pH标准溶液：0.050 mol/L邻苯二甲酸氢钾，pH=4.01；0.025 mol/L混合磷酸盐，pH=6.86；0.010 mol/L硼砂，pH=9.18.用磁力搅拌器(上海仪电科学仪器股份有限公司，上海)，将以上标准溶液等体积混合(10 mL)，充分混合后的pH为：邻苯二甲酸氢钾+混合磷酸盐=5.11；邻苯二甲酸氢钾+硼砂=4.97；混合磷酸盐+硼砂=7.71.以注射泵为动力，使用酸度计(PHS-2C，上海伟业仪器厂，上海)测试在不同流速下混合器对微量溶液pH的调节效果.从图 8中可以看出，5次测量的平均值分别为：邻苯二甲酸氢钾+混合磷酸盐=5.142(标准偏差σ=0.09)；邻苯二甲酸氢钾+硼砂=5.07(σ=0.068)；混合磷酸盐+硼砂=7.812(σ=0.068).可见随流速的变化，阶梯混合器仍可实现对溶液pH的精确调节.而且值得注意的是当试样流速小于10 mL/h时，随着流速进一步的增加，pH曲线的误差也随之增大；当流速大于10 mL/h时，随着流速的提高，pH曲线的误差反而降低.这与图 4中Re与σ的关系曲线一致，当液体的流速很慢时，扩散在混合过程中起主导作用，此时随着流速的提高，混合效率会有所下降；当流速提高到一定程度后，混沌流在混合过程中起主导作用，此时随着流速的提高，混沌流增强，混合效率得到改善.
|
图 8 阶梯混合器pH控制曲线 |
1) 三维阶梯结构混合器由一个T-型进样沟道和6个阶梯混合单元结构组成，利用阶梯混合单元产生的混沌流，流体在0.1≤Re≤5时，充分混合距离小于10 mm.
2) 阶梯结构微混合器芯片尺寸仅为长×宽=50 mm×40 mm，且芯片加工过程无需大型设备和超净环境，顺应了微流控芯片低成本、易加工的发展趋势.
3) 利用荧光显微镜对微混合器芯片进行可视化测试，结果显示当经过5个阶梯结构混合单元后，示踪剂界面几乎消失，说明混合基本充分.
4) 使用酸度计对微量溶液pH的调节效果进行测试，结果显示当流速在1~20 mL/h范围内时，三维阶梯结构微混合器可以实现对pH的精确控制，标准偏差不超过0.09.
| [1] |
HARRISON D J, MANZ A, FAN Z, et al. Capillary electrophoresis and sample injection systems integrated on a planar glass chip[J]. Analytical Chemistry, 1992, 64(17): 1926-1932. DOI:10.1021/ac00041a030 |
| [2] |
AI Ye, PARK S, ZHU Junjie, et al. DC electrokinetic particle transport in an L-shaped microchannel[J]. Langmuir, 2010, 26(4): 2937-2944. DOI:10.1021/la902711x |
| [3] |
SONGY A, CHAN M, CELIO C, et al. Free-flow zone electrophoresis of peptides and proteins in PDMS microchip for narrow pI range sample prefractionation coupled with mass spectrometry[J]. Analytical Chemistry, 2010, 82(6): 2317-2325. DOI:10.1021/ac9025219 |
| [4] |
CHANGY H, LEE G B, HUANG F C, et al. Integrated polymerase chain reaction chips utilizing digital microfluidics[J]. Biomedical Microdevices, 2006, 8(3): 215-225. DOI:10.1007/s10544-006-8171-y |
| [5] |
HENRY O Y F, O' SULLIVAN C K. Rapid DNA hybridization in microfluidics[J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2012, 33: 9-22. DOI:10.1016/j.trac.2011.09.014 |
| [6] |
KANG C M, JOO S, BAE J H, et al. In-channel electrochemical detection in the middle of microchannel under high electric field[J]. Analytical Chemistry, 2012, 84(2): 901-907. DOI:10.1021/ac2016322 |
| [7] |
SERRY M, SHABAN M, GAMAL A. A new sensor for heavy metals detection in aqueous media[J]. IEEE Sensors Journal, 2013, 14(2): 436-441. |
| [8] |
PARK D S, EGNATCHIK R A, BORDELON H, et al. Microfluidic mixing for sperm activation and motility analysis of pearl Danio zebrafish[J]. Theriogenology, 2012, 78(2): 334-344. DOI:10.1016/j.theriogenology.2012.02.008 |
| [9] |
BUCHEGGER W, HALLER A, VAN DEN DRIESCHE S, et al. Studying enzymatic bioreactions in a millisecond microfluidic flow mixer[J]. Biomicrofluidics, 2012, 6(1): 012803(1-9). |
| [10] |
NGUYEN N T, WU Zhigang. Micromixers-a review[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(2): R1-R16. DOI:10.1088/0960-1317/15/2/R01 |
| [11] |
LI Ying, XU Youzhi, FENG Xiaojun, et al. A rapid microfluidic mixer for high-viscosity fluids to track ultrafast early folding kinetics of G-Quadruplex under molecular crowding conditions[J]. Analytical Chemistry, 2012, 84(21): 9025-9032. DOI:10.1021/ac301864r |
| [12] |
LI Ying, ZHANG Dalu, FENG Xiaojun, et al. A microsecond microfluidic mixer for characterizing fast biochemical reactions[J]. Talanta, 2012, 88: 175-180. DOI:10.1016/j.talanta.2011.10.028 |
| [13] |
SHEU T S, CHEN S J, CHEN J J. Mixing of a split and recombine micromixer with tapered curved microchannels[J]. Chemical Engineering Science, 2012, 71: 321-332. DOI:10.1016/j.ces.2011.12.042 |
| [14] |
SCHERRT F, QUITADAMO C, TESVICH P, et al. A planar microfluidic mixer based on logarithmic spirals[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012, 22(5): 055019. DOI:10.1088/0960-1317/22/5/055019 |
| [15] |
SAYAH A, THIVOLLE P A, PARASHAR V K, et al. Three-dimensional mixers with non-planar microchannels in a monolithic glass substrate using oblique powder blasting[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010, 20(8): 085028. DOI:10.1088/0960-1317/20/8/085028 |
| [16] |
YANG Jun, QI Li, CHEN Yi, et al. A passive mixer with changeable mixing mechanism[J]. Chinese Journal of Chemistry, 2012, 30(8): 1793-1796. DOI:10.1002/cjoc.v30.8 |
| [17] |
YANG A S, HSIEH Y F, KUO L S, et al. A novel vortex mixer actuated by one-shot electricity-free pumps[J]. Chemical Engineering Journal, 2013, 228: 882-888. DOI:10.1016/j.cej.2013.05.053 |
| [18] |
LIAO Yang, SONG Jiangxin, LI En, et al. Rapid prototyping of three-dimensional microfluidic mixers in glass by femtosecond laser direct writing[J]. Lab on a Chip, 2012, 12(4): 746-749. DOI:10.1039/c2lc21015k |
| [19] |
JIANG Liguo, ZENG Yan, ZHOU Hongbo, et al. Visualizing millisecond chaotic mixing dynamics in microdroplets:A direct comparison of experiment and simulation[J]. Biomicrofluidics, 2012, 6(1): 012810. DOI:10.1063/1.3673254 |
| [20] |
DY A J, COSMANESCU A, SLUKA J, et al. Fabricating microfluidic valve master molds in SU-8 photoresist[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014, 24(5): 057001. DOI:10.1088/0960-1317/24/5/057001 |
| [21] |
ZHANG Zongbo, WANG Xiaodong, LUO Yi, et al. Thermal assisted ultrasonic bonding method for poly (methyl methacrylate)(PMMA) microfluidic devices[J]. Talanta, 2010, 81(4/5): 1331-1338. |
| [22] |
LI Jingmin, LIU Chong, KE Xue, et al. Fabrication of a thermoplastic multilayer microfluidic chip[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(11): 2315-2320. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2012.06.022 |
| [23] |
RENYong, LEUNG W W F. Numerical and experimental investigation on flow and mixing in batch-mode centrifugal microfluidics[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 60: 95-104. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.12.023 |
| [24] |
ZHANG Haifeng, LIU Xiaowei, PENG Zhicheng, et al. Investigation of thermal bonding on PMMA capillary electrophoresis chip[J]. Advanced Materials Research, 2009, 60-61: 288-292. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.60-61 |
| [25] |
BROWN L, KOERNER T, HORTON J H, et al. Fabrica-tion and characterization of poly (methylmethacrylate) mi-crofluidic devices bonded using surface modifications and solvents[J]. Lab on a Chip, 2006, 6(1): 66-73. DOI:10.1039/B512179E |
| [26] |
KIM M, MOON B U, HIDROVO C H. Enhancement of the thermo-mechanical properties of PDMS molds for the hot embossing of PMMA microfluidic devices[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2013, 23(9): 095024. DOI:10.1088/0960-1317/23/9/095024 |
| [27] |
刘晓为, 张贺, 田丽, 等. 基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法[P]. 中国专利: 20140455329. 7.
|
| [28] |
SMALE S. Differentiable dynamical systems[J]. Bulletin of the American Mathematical Society, 1967, 73(6): 747-817. DOI:10.1090/S0002-9904-1967-11798-1 |
| [29] |
SMALE S. Finding a horseshoe on the beaches of Rio[J]. The Mathematical Intelligencer, 1998, 20(1): 39-44. DOI:10.1007/BF03024399 |