实现定量和混合的PDMS微流体器件的研究

　　1　引　　言

　　在微生化分析中,如何对微量流体进行精确定量和快速混合是目前研究的热点。精确定量是微流体器件必需具备的功能。当流体的容量小到微升甚至纳升量级时,影响微流体运动状态的主要因素是液体的表面张力和固液气三相态之间的粘滞力。利用表面张力来控制流体的运动状态,能够实现对微流体的精确定量,提高实验数据的可靠性。

　　微流体在管道中运动时,各层流体均保持各自的运动状态,即层流状态:它们之间的混合主要靠各层流体间的扩散来进行,实现完全混合需要很长的时间。为了加快反应速度,必须在微流体中形成湍流。

　　这里研究了实现微流体的精确定量和快速混合的方法,采用PDMS(PolyDeMethySiloxane)为主要材料制作了相应功能的微流体器件。

　　2　定量结构

　　由于表面张力的作用,当流体经过疏水区域时会产生阻力;阻力大小与流体经过的通道几何尺寸有关,通道内径越小,流体所受阻力越大,这就是利用疏水性结构控制微流体运动的基本原理,即负毛细效应。[1]利用负毛细效应的阻力作用可以阻止微流体在通道内的运动。采用气流切割流体的方法可以在通道内定量截取流体,原理如图1所示。图1中,由(a)到(b)完成定量过程,(c)是疏水微毛细阀(HMCV)的放大结构,它由五个微型毛细通道组成。通道内表面呈疏水性,由于内径尺寸远小于主通道尺寸,所以对微流体产生较大的阻力,从而达到限制流体运动的目的。

　　3　混合结构

　　在本设计中,为了加快微流体的混合速度,在混合区的通道内设置了3个微柱。通过气泵的反复抽拉,可使已定量的微量液体来回流经微柱混合器,迅速形成湍流而实现充分混合。利用流体分析软件FLUENT对一个混合物理过程进行模拟,结果如图2所示,可以看出微流体经过微柱的过程中的流动变化状态。

　　4　实验结果

　　采用微细加工技术制备了具有定量和混合功能的PDMS微流体器件,基本制作过程如下:

　　(1)采用ICP工艺在硅片上刻蚀出通道结构,作为浇注PDMS所用的模具;

　　(2)采用PDMS常规浇注工艺制备了含有通道结构的PDMS薄膜;

　　(3)利用正胶剥离工艺,在基板上形成特定疏水区域;

　　(4)将PDMS与基板对准,完成器件的制作。

　　器件的光学照片如图3所示,白框区域是亲水区,其余部分都为疏水区。器件工作过程如下:

　　(1)两路液体分别由注入口In1和In2注入,到达通道右端的V1和V2微阀时都停止前进;

　　(2)气流从V4、V5处将流体切断,实现定量,其定量体积为15nL;