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中国科学E辑工程科学材料科学2005,35(5):549~560549SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience*傅新**谢海波杨华勇(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027)贾志舰方群(浙江大学微分析系统研究所,杭州310028)摘要介绍了集成微型无阀泵的微流控芯片的结构及工作原理,针对微型无阀泵进行了数学建模及系统仿真,测试了集成化微泵的流动特性,确定了基本控制参数,并将仿真与试验结果进行了比较分析.将集成化芯片进行了样品检验测试,证明了微泵在微量化学检测过程中实现自动换样及清洗的功能及实用价值.关键词微机电技术微型无阀泵微流控芯片流场仿真化学检测微流控分析技术是从20世纪90年代以来迅速发展的一项生化检测领域的高科技,其实质是采用微加工方法在数平方厘米或更小的平板上制作出微米级的结构(多数为网络通道,通道宽10~100μm,深10~30μm),试样和试剂的液流在这些微结构或通道中的受控流动及混合完成试样分析,这一技术的出现使化学检测设备的微型化、集成化与便携化成为可能[1,2].但是,现有芯片大都为一次性使用,存在比较大的浪费,且换样操作及前处理等比较费时,在连续换样及重复使用方面存在缺陷,同时在集成微流体器件方面尚未有相关报道.因此,如何实现快速连续换样及重复使用成为微流控芯片进一步发展所面临的重要问题之一.微型无阀泵是微型泵的一个新的研究热点.与有阀型微泵相比,它结构简单,在制造工艺上减少了阀片制作和阀片键合工序,且其加工方式全部为平面加工工艺,因此很适合集成化应用.同时,无阀泵流动阻力小,高频特性好,流量脉动相对有阀型微泵也小.集成微泵式微流控芯片是将微型无阀泵作为连续换样工具而集成到微流控2004-07-15收稿,2005-01-11收修改稿*国家自然科学基金重点项目(批准号:50335010)、国家自然科学基金(批准号:50175098)和教育部科学技术研究重点项目(批准号:109102-A20202)资助**E-mail:xfu@zju.edu.cn550中国科学E辑工程科学材料科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience芯片上,因此在多种样品检测时清洗及换样过程全部由微泵快速自动实现,且无需移动芯片,因而避免了芯片检测点的重复定位问题.所以这种新型集成化微流控芯片能极大地缩短连续检测时间,简化检测设备.集成化芯片的结构示意图如图1所示.微型无阀泵作为换样动力源而集成到微芯片上,当切换测试样品时,首先启动微泵,在微泵进样管内通入微量气柱以隔离两种样品,然后将原有样品由进样槽抽至废液槽的同时也将新样品输送至进样点,然后进行毛细管电泳分析.当所有样品测试完毕后,在进样槽内加入清洗液,启动微泵将输送管道及进样点的样品清洗干净,而进样通道及分离通道内的残留样品的清洗则通过电泳方式完成,这样就可使微流控芯片实现重复使用.其工作流程如图2所示.同原有微流控检测相比,这种集成化芯片具有多样品连续检测速度快,自动化程度高等特点,同时也很大程度上减低了对操作人员的经验要求.图1集成化芯片结构示意图(a)集成化芯片结构示意图,(b)芯片实物照片.(a)中1示进样槽,2示进样点,3示微型无阀泵,4示废液槽,5示进样通道,6示分离通道图2集成化芯片工作流程图1微泵性能仿真及测试1.1微型无阀泵结构及工作原理微型无阀泵的结构尺寸及工作原理图如图3和4所示.微型无阀泵是基于第5期傅新等:集成微泵式微流控芯片的设计与测试551微型无阀泵结构尺寸示意图扩散口/收缩口流量存在差异这一现象而设计开发的[3,4],采用形状记忆合金/硅(NiTi/Si)双层复合薄膜驱动.当驱动膜压下时,给腔体内液体施加压力,由于扩散口与收缩口内压力分布曲线不同,引起的流量不同,此时,Q扩散Q收缩.而当驱动膜向上运动时,腔体内产生负压,扩散口和收缩口的压力分布情况相反,此时,Q扩散Q收缩.从而实现定向差量流动.同时,这种结构结构形式有利于进行微流场可视化检测,流动性能测试方便、准确[5].1.2微泵数学模型及性能仿真微泵的动力来源于驱动膜的振动,现对振动膜工作时的对泵腔内的压力变化进行分析.振动膜的往复运动使泵腔的体积发生变化,由此产生腔内的压力变化.由于泵腔并不是密闭容腔,腔内的压力变化不能从静态角度分析.从微分的角度看,假设振动膜的位移在时刻t1到t1+dt时为h,此时,腔内压力为p.由于液体可压缩性较小,在初步压力分析中暂时忽略液体体积压缩的影响.这样,在从t=0到t=t1的时间段内,泵腔内液体应符合质量守恒定律:(1)sum(,)d(),QpttVt=Δ∫552中国科学E辑工程科学材料科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience式中,Qsum(p,t)为扩散管与收缩管内流量和,ΔV(t)为振动膜振动引起腔体的容积变化.(1)式可转化为sumd()(,).dVQpttΔ=(2)将d(ΔV)/dt离散化:d()diff(),dVVtΔ=Δ(3)式中,diff()为差分函数.而扩散管与收缩管内的尺寸在几百微米的数量级,而研究证明当微结构内尺寸在亚微米级以上时流动仍然满足N-S方程[3].因此,扩散管内的流量公式为214D2π1,41pDQDζdρ=⎛⎞+−⎜⎟⎝⎠(4)收缩管内的公式为212πC4VpDQ.ρ=(5)采用MATLAB进行计算,微泵相关结构参数如下:腔体直径3mm,进出口锥管长度2mm,锥管最小截面直径200μm,锥管锥角14°.通过变化驱动参数得到以下结果如图5和6所示.图5为一个振动周期内腔体压力随驱动频率的变化图5一个振动周期内腔体压力仿真曲线第5期傅新等:集成微泵式微流控芯片的设计与测试553情况.由计算可知,频率越高腔体内平均压力值也越高.微泵输出流量随频率的变化情况如图7表示.图6不同占空比对流量的影响图7驱动频率对流量影响的仿真与实验结果对比1.3微泵性能测试及分析微泵作为换样动力源,其流动特性的好坏直接关系到检测的准确性,同时在连续检测中微泵需要重复启动与关闭,因此其流动性能的重复性也是一个关键指标.图6为不同占空比下微泵输出流量的情况.由于微泵采用形状记忆合金/硅复合驱动膜,其原理是在加载周期矩形电压,形状记忆合金由于发热而产生形554中国科学E辑工程科学材料科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience变,因此占空比的大小直接影响加热时间,从而影响驱动膜振幅大小,因此对流量产生较明显的作用.如图6所示,当占空比约为45%时,流量最大,此时效率最高,而当占空比大于45%时,由于加热时间过长,冷却时间过短,因此薄膜回复不彻底,也将减小振幅.图7表示流量随驱动频率变化情况的实验和仿真结果对比.实验和仿真曲线的数据基本吻合,由于微泵在实际测试中还存在局部的流动损失及测试误差,因此实验结果相对仿真数据要略低.测试时占空比均采用45%.由图可知,此微泵的最大流量可达115μl/min,此时的驱动频率约为35Hz,流量脉动很小.在相同测试条件下对流量进行多次测试,结果表明流量重复性很好.因此微型无阀泵能较好地实现微流控芯片的换样及清洗功能.2微泵流量脉动对芯片功能影响的仿真与测试由于微型无阀泵属于薄膜振动式微泵,因此存在流量脉动现象.从理论上讲,这种现象对于电泳进样及分离管道会带来压力波动,如果压力波动剧烈会导致分离管道内样品流动,从而影响检测结果.但由于在芯片的整体结构设计中预先考虑到这个问题,一方面将微泵管道截面尺寸与进样/分离管道截面尺寸设计的相差很大(微泵管道截面尺寸:700μm×80μm、进样/分离管道截面尺寸:75μm×20μm),通过尺寸效应来减少微泵工作对进样/分离管道带来的压力波动影响.另一方面,进样管道与微泵管道呈90°角交叉联接,这种结构形式同样能降低微泵的流量脉动对电泳管道的影响.为了估算微泵工作过程中对进样/分离管道的影响程度,同时也为了验证微芯片结构设计的有效性问题,针对微芯片进行流场CFD仿真,图8为微芯片流场有限元网格模型.仿真条件如下:微泵腔体内压力变化幅值为±6Pa,微泵振动频率为3Hz,微泵管道截面尺寸:700μm×80μm,进样/分离管道截面尺寸:60μm×15μm,微泵结构尺寸见图4.流体介质为去离子水,各储液槽上表面压力均为大气压.仿真结果如图9和10所示.图9表示当微泵腔体内压力达到正峰值(+6Pa)时微芯片内部流场的压力等值线图,图10表示当微泵腔体内压力达到负峰值(－6Pa)时微芯片内部流场的压力等值线图.从图中可以看出当微泵压力达到极值时,进样和分离管道内压力基本不变.图11表示微泵内压力在正负峰值点时进样管道内的压力分布.当微泵内压力达到正负峰值时,进样管道内压差应为最大,从仿真结果看,这两种极值情况下进样管道内压差分别为0.65和0.62Pa,微泵内部压力变化范围是+6Pa,因此进样管道内压差仅为其10%,说明这种结构形式以及管道截面尺寸选择比较合理.同时,在实际操作中,当微泵工作时,进样管道两端加以夹流电压以防止微泵流第5期傅新等:集成微泵式微流控芯片的设计与测试555微芯片流道有限元网格模型(a)微芯片整体流道有限元网格模型,(b)微型无阀泵有限元网格模型,(c)进样/分离管道交叉点有限元结构化网格模型图9微泵腔体内压力达到正峰值时微芯片内部流场压力等值线图图10微泵腔体内压力达到负峰值时微芯片内部流场压力等值线图556中国科学E辑工程科学材料科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience图11微泵内压力达到正负峰值时进样管道内压力分布(a)微泵内压力达到正峰值时进样管道内压力分布,(b)微泵内压力达到负峰值时进样管道内压力分布.A示进样管道与微泵管道交叉点,B示进样/分离管道交叉点,C示进样管道端点动对进样管内流体产生影响,因此,从仿真角度而言,微泵工作过程中是不会对进样管道内流体产生影响的.图12表示当微泵内压力达到正负峰值点时分离管道内压力分布图.由该图可以看出,微泵振动对于分离管道的影响更小.当微泵腔体内压力达到正负峰值时,分离管道内最大压差仅为0.14Pa,这种量级的压差在毛细管道内基本不会产生影响.实验的实际情况证实,当微泵启动进行换样操作时,微光测量仪的读数没有明显的跳动,XY记录仪所记录的基线也较平直.因此,说明该结构设计形式可以保证微芯片的正常工作,微泵的集成不会给检测带来影响.第5期傅新等:集成微泵式微流控芯片的设计与测试557微泵内压力达到正负峰值时分离管道内压力分布(a)微泵内压力达到正峰值时分离管道内压力分布,(b)微泵内压力达到负峰值时分离管道内压力分布.A示进样/分离管道交叉点3微芯片实际样品检测首先将微芯片进行前处理,先用去离子水和乙醇将微芯片通道清洗干净,然后在进样及分离管道内注入浓硫酸(H2SO4)浸泡3h,浸泡结束后再用去离子水将所有微管道清洗干净.3.1不同样品连续检测检测样品为氨基酸、荧光素及硼砂缓冲液,目的是用来检验微泵的换样及清洗功能.微泵在检测过程中实现连续换样.进样时间30s,分离时间90s,微泵换样时间30s,检测过程时序图如图13所示.微泵的驱动参数为:占空比45%,驱动频率3~5Hz,驱动电压16.5V(峰值电压).检测结果如图14所示,实验连续分离出了3种样品,且峰形很好.微泵在整个实验过程中实现了连续换样功能,简化了操作,并缩短了换样时间,由原来的558中国科学E辑工程科学材料科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience图13检测时序图图14三种样品连续检测结果每个样品检测时