（机械设计及理论专业论文）微沟道的形状误差对样品分离效果的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片的研究是一个跨学科的新领域，是新世纪分析科学、微机电加工、生命 科学、化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿。它是以微管道为网 络，连接微泵、微阔、徽储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送功能的 元器件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体 的微全分析系统。 在微流控芯片的制作和使用中发现，微沟道表面总不可避免地存在一定程度的形状 误差及缺陷，造成样品的浓度区带展宽，极大地影响电泳芯片的片内和片间分离重复性 和样品检测精度。然而，前人的研究都是针对理想结构对电泳分离过程的影响，目前还 没有人系统地研究制造过程中引入的微通道形状误差等因素对电泳分离的影响。 本文对“徼流控芯片的形状误差对样品分离效果影珥句”这一问题进行了全面而细致 的研究。在对微流控输运机理进行全面认识的基础之上，利用m e m s 模拟仿真软件 c o v e n t o r w a r e 建立了一系列包含形状误差的微沟道模型，并对流过不用结构形状误差区 域后样品的峰离和半蜂宽进行计算仿真研究后得出，以收缩角和扩张角为代表的微沟道 的形状误差对样品的分离效果有不同程度的影响，并存在一个影响程度的转折点。同 时，基于玻璃微流控芯片的微加工工艺，制作了两片玻璃芯片，每片带有4 个十字交叉 型微沟道，代表8 个典型角度的形状误差值，利用这两片芯片在“微流控芯片流体动态 观测平台”上开展微流控分析实验，考查玻璃芯片的形状误差对样品流动和分离的影 响。最终对实验的数据进行整理并与模拟计算的结果相比较后发现，实验与模拟计算的 结果吻合的较好，验证了微流控芯片沟道的形状误差对样品分离效果的影响及其规律。 综合分析实验及模拟计算的结果表明，以牧缩角和扩张角为代表的微流控芯片沟道 的形状误差，对待分析样品的流动和分离效果有很大的影响：随着收缩角的增大，样品 的峰高和半峰宽分别呈增大和减小的趋势变化；而随着扩张角的增大，峰高和半峰宽的 变化趋势正好相反。并且峰高和半峰宽随两种类型形状误差角的变化都存在一个转折 点：当收缩角( 扩张角) 小于1 5 0 ( h i 右) ，峰高和半峰宽随角度的增大而变化剧烈： 当收缩角( 扩张角) 大于1 5 0 ( 左右) 以后，峰高和半峰宽就基本不随角度的变化而变 化。这对于更深入地认识微沟道形状误差对样品流动和分离的影响程度、有效控制制造 过程中形状误差的范围、评价成品芯片的沟道质量等方面都有一定的指导意义。 关键词：微流控芯片；形状误差；峰高和半峰宽；收缩角和扩张角 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 i n f l u e n c eo fm i c r o f l u i d i cc h a n n e l sf o r m e r r o r0 1 1s p e c i 蚂 s e p a r a t i o n e f f e c t a b s t r a c t mr e s e a r c ho f m i c r o f l u i d i cc h i p si san e w 蛐l n i 蛐l i i l a r yf i e l d i t sa l s ot h e i m p o r t a n t d e v e l o p m e n tf r o n t i e ri nt h ef i e l do f a n a l y t i c a ls c i e n c e ，m e m s ，l i f os c i e n c e , c h e m i c a ls y n t h e s i s ， a n a l y s i si m m a n e n t , e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de t ci nt h en e wc e n t u r y w i t ht h em i c r o c h a n n e l s a sn e t w o r k , i tc o i l r l c , t s m i c r o - p u m p ，m i c r o - v a l v e , m i c r o - r e s e r v o i r , m i c r o - e l e c t r o d e ，m i c r o d e t e c t i n g - e l e m e n t , a n d s oo n , w h i c hh a v et h ea b i l i t y o f t r a n s f e n i n gl i 曲e l e c t r i c i t ya n df l u i d i n aw o r d , m i c r o f l u i d j cc h i p sb e l o n gt ot h e m i c r o - t o t a l a n a l y s i s - s y s t e m s ，w h i c hm e r g e st h e a n a l y s i sf u n c t i o no fi n j e c t i o n ，d i l u t i o n , r e a g e n ts t o c k , r e a c t i o n , s e p a r a t i o na n dd e t e c t i o n 硒a w h o l et ot h em o s te x t e n t d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n ga n da p p l y i n gp r o c e s s i ts 蝴璐t o b eu n a v o i d a b l et h a tt h e r ea r e f o r me r r o r sa n df l a w so nt h es l l r f a c eo f m i e r o e t m n n e l s , w h i c h b r o a d e nt h ec o n c e n t r a t i o nz o n e a n di n f l u e n c et h e r e a p p e a r a n c e f o rt h e $ a n l eo rd i f f e r e n t c h i p sa n dd e t e c t i n gp r e c i s i o n h o w e v e r , t h ep r e s e n tr e s e m e h ei sa 1 1a b o u ti d e a ls t r u c t u r e s of a r , t h e r ei sn os y s t e m i cr e s e a r c ha b o u tt h e i n f l u e n c eo f m i c r o c h a n n e l sf o r me r r o rw h e n m i c r o - f a b r i c a t i n g o n e l e c t r o p h o r e s i ss e p a r a t i o n t h i sa r t i c l es t u d i e st h ep m b l e m - i n 丑u e n c eo fm i c r o f l u i d i cc h a n n e l sf o r me l i o ro n s p e c i e s s e p a r a t i o ne 丘b c t a l l s i d e d l y a n dd e t a l l e d l y b a s e do nt h e u n d e r s t a n d i n go f m i c m f l u i d i ct r a n s f e rm e c h a n i s m i n & t a i l ，as e r i e so f m i c r o c h a n n e lm o d e l s w i t hf o r me r r o rw e r e c o n s t r u c t e du n d e rt h el 螂o f m 匣m ss i m u l a t i o ns o f l w a m - c o v e n t o r w a m ，鹊w e l l 越t h ep e a k h e i g h ta n d f u l l - w i d t h - h a l f - m a x i m t m ao f s p e c i e sw e r es i m u l a t e da n dc a l c u l a t e da f t e rt h e yf l e w t h r o u g ht h ed i f f e r e n tf o r ma 1 口f 部娜a l lt h e s er e s u l ti nt h a tt h ef o r ma ro f m i c r o c h a n n e l s r e p r e s e n t e db yc o n v e r g e n ta n dd i v e r g e u ta n g l ei n f l u e n c e st h es e p a r a t i o ne f f e c to fs p e c i e s d i f f e r e n t l y , a n dt h e r ei s at u r n i l l gp o i n ta b o u tt h ei n f l u e n c ed e g r e e m e a n w h i l e ，b a s e do nt h e m i c m m a c h i n i n gp r o c e s sa b o u tg l a s sm i c m f l u i d i cc h i p ，t w og l a s sc h i p s w e r ef a b r i c a t e d e a c ho f t h e mh a sf o u rc r o s sc h a n n e l s ，w h i c hr e p m s e n te i g h td i f f e r e n tf o r me n o rt ot y p i c a la n g l ed e g r e e m i c m f l u i d i ca n a l y s i se x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nt h e f l u i dd y a d i co b s e r v a t i o np l a t f o r m f o rm i c r o f l u i d i cc h i p ”w i t ht h et w oc h i p s ，w h o s ea i mi st or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fg l a s s c h a n n e l sf o r me r r o ro ns p e c i e s f l o wa n ds e p a r a t i o ne f f e c t a f t e rt h ee x p e r i m e n td a t aw a s r e c o r d e da n da n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h a to fc a l c u l a t i o nr e s u l t sf r o ms o l h v a r c ，i ti sf o u n d t h a tt h ed a t ao fe x p e r i m e n ti s 越g o o da st h eo n eo fs i m u l a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo f m i c r o c h a n n e l sf o r me r r o ro ns p e c i e s s e p a r a t i o ne f f e c t , 鹊w e l la st h er e g u l a rr e s u l t , i sv e r i f i e d 一 大连理工大学硕士学位论文 a f t e r i n a l a n gac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so n t h er e s u l t sf r o me x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n , 1 t c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef o r me r r o r so f m i c r o c h a n n e ir e p r e s e n t e db y d i v e r g e n ta n dc o n v e r g e n t a n g l e si n f l u e n c et h ef l o wa n ds e p a r a t i o no f s p e c i e sv e r y m u c h w i t ht h ei i m a s e o f c o n v e r g e n t a n g l e , p e a kh e i g h ta n d f w h m o f s p e c i e si n c r e a s e sa n d d e c r e a s e sr e s p e c t i v e l y h o w e v e r , w i t h t h ei n c r e a s eo f d i v e r g e n ta n g l e ，t h ev a r y m gt e n d e n c yi sr e v e r s e m e a n w h i l e ，w i t ht h em c g e e o f c o n v e r g e n t ( d i v e r g e n t ) a n g l e , t h e r ei sat u r n i n gp o i n ta b o u t t h ep e a kh e i g h ta n df w h mo f s p e c i e s ：w h e nt h ec o n v e r g e n t ( d i v e r g e n t ) a n g l ei ss m a l l e rt h a n 1 5d e g r e e ，p e a kh a g l l ta n d f w h mw i l l v a r yd r a m a t i c a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fa n g l e ；h o w e v e r , w h e nt h ec o n v e r g e n t ( d i v e r g e n t ) a n g l ei sb i g g e rt h a n1 5d e g r e e , p e a kh e i g h ta n df w h m w i l lk e e ps t e a d y t h i s f i n d i n gh a sa l li m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c et og e tad e e p e ru n d e r s t a n d i n go f i n f l u e n c eo f m i c r o f l u i d i cc h a n n e l sf o r me r r o r0 1 1s p e c i e s s e p a r a t i o ne f f e c t ，t oc o n t r o le f f e c t i v e l yt h e s c o p eo f f o r m d - l o rd u r i n gm a n u f a c t u r e t oe v a l u a t em i c r o f l u i d i cc h i p s c h a n n e lq u a l i t y , e t c k e yw o r d s ：m i e r o f l u i d i cc h i p ；f o r me r r o r ；p e a kh e i g h ta n df w h m ；c o n v e r g e n t a n d d i v e r g e n ta n g l e 一一 本文由国家自然科学基金重点项目“微机电系统若干关键机 械学问题”一典型微流体器件输运特性研究( n o 5 0 1 3 5 0 4 0 ) 资助完成，特此感谢! 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 1 1 圭，兰! ：日期：竺! ：! ：! ! 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 i 1 微流控芯片简介 毛细管电泳( c e ) 是指毛细管内的溶质中带电粒子或基团在电场作用下所发生的 定向运动。由于组分内各种粒子的电荷量和分子量的不同，在同样电场g - 4 牛下，它们的 电泳速度也不同，利用各组分的速度差，可以将混合物进行分离，在分离通道终点安装 检钡9 器并对检测结果进行处理，可以获得电泳图谱，鉴别混合物的组分。由于毛细管电 泳具有高效、消耗样品少、分离时间快、仪器要求简单等优点，在生命科学、化学、药 学和环境监测等方面都有广泛应用。 2 0 世纪9 0 年代初，瑞士m a n z 和w i d m e r 提出的以微系统加工技术为基础的微全 分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ，i t - t a s ) ，集中体现了将分析实验室的功能( 微 注射t 转移、液流控制、分离分析、检测等) 转移到面积2 8 寸的微芯片上的思想， 采用毛细管电泳原理的微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) ，也叫集成毛细管电泳芯片则 是微全分析系统主要发展方向之一。它对于d n a 、多肽、蛋白质等生物大分子的高分 辨、高速、高通量的分离分析，使其成为用于蛋白分析、基因诊断、药物筛选等的重要 分析手段之一，有着十分广阔的应用和发展前景。 微流控芯片的研究需要生命科学、m e m s ( 微机电加工技术，m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ) 1 、材料、电子、光学仪器、流体力学、计算机等多学科领域的 支持，同时它的发展还需要更多的基础理论来更深入地理解和掌握物质在微米尺度流动 状态下的行为，例如微米通道中的电特性、传质、导热、吸附、表面特性及微区反应规 律等，这些对相关的理论研究提出了新的挑战，也制约了微流控芯片在实际中的应用。 如何尽快的解决微流控芯片使用中的一些关键l 生技术问题，提高其使用的可靠性和精 度，使其从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段，造福人类，是现在各 个研究组织和机构最终的努力方向。 微流控芯片( 如图1 】) 的发展是随着g - t a s 技术的发展而成长起来的。1 9 9 0 年瑞 士的c i b a - g e i g y 公司的m a n z 和w i d m e r 2 首次提出了微全分析系统的概念，当时主要 强调了分析系统的“微”和“全”，及微管道的m e m s 加工方法。1 9 9 1 年m a n z 和加 拿大a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 等人【3 】 4 】发表了最早的在微加工基础上完成毛细管电泳分 离的论文，从而展示了微流控芯片的发展潜力，同时把微系统的主要构型定位在面积为 数平方厘米及十几平方厘米的平板芯片上。1 9 9 4 年开始，美国橡树蛉国家实验室的 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 r a m s e y 和j a c o b s o n 等 5 6 7 【8 】在m a n z 的基础上发表了一系列的论文，改进了芯片 毛细管电泳的进样方法，提高了其性能和实用性，引起了广泛的关注。1 9 9 5 年美国加 州大学b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 等 9 在微流控芯片上实现了高速的d n a 测序，微流控 芯片的商业开发价值开始显现出来。1 9 9 6 年m a t h i e s 等 1o 又成功地实现了聚合链酶式 反应( p c r ) 扩增，这种将毛细管电泳技术应用在基因分析的技术，展示了微全分析系 统在试样处理方面的潜力；1 9 9 7 年他们实现了微流控芯片上多通道毛细管电泳的d n a 测序 11 】。与此同时，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 包括 h p 、岛津销合作，努力将其产品推向市场。1 9 9 9 年9 月i - i p ( 今a g i l e n t ) 与c a l i p e r 联 合研制了首台微流控芯片商品化仪器，可以用来进行核酸及蛋白质的分析。到现在为 止，微流控芯片已经可以用来分析氨基酸、蛋白质 1 2 】、d n a 1 3 、细胞 1 4 】、药品 1 5 】 等诸多对象。例如不久前，s a r s 病毒的快速早期临床检测和诊断就是利用微流控芯片 完成的。 c 图1 1a ) 十字交叉沟道微流控芯片；b ) 各种定制的微流控芯片；c ) 样品的电泳分离分析图谱 f 唔1 1a ) m i c r o f l u i d i cc h i pw i t hc r o s se h a n n d ；b ) c u s t o m i z e d m i c r o f l u i d i cc l i i p ss a m p l e ；c ) s p e c i e s e l e c t r o p h e r o g r a m 在微流控芯片的发展过程中，出现了很多名词，如平板电泳芯片( p e ) 1 2 】、毛细 管电泳( c e ) 芯片、毛细管阵列电泳( o 也) 芯片 1 1 、集成毛细管电泳( i c e ) 芯片等。 一2 大连理工大学硕士学位论文 这些名词也反映了微流控芯片不断发展的各个阶段，从单沟道到最多4 0 9 6 个通道的芯 片【1 6 】( 如图1 2 ) ；从简单的只有进样和分离通道的十字型通道，到集成柱前柱后反应 通道、循环进样、弯曲形状通道的复杂芯片，微流控芯片的技术不断地适应现代研究的 发展需要，不断地接近“微”和“全”分析系统的目标。 图1 24 0 9 6 个沟道的微流控芯片进样混合器幻设计布局图；b ) s e m 照片 f 培1 2 c o n f u t a t i o n o f t h e i n l e t s p l i t t e r w i t h 4 0 9 6 c h a n n e l s a ) d e s i g n l a y o u t ；b ) s e m i m a g e 现在微流控芯片比较认同的定义为：以生物化学和分析化学为基础，以微机电加工 技术为依托，以芯片基底上徽管道网络为结构特征，把整个化验室的功能，包括采样、 稀释、加试剂、反应、分离和检测等集成在微芯片上，完成芯片实验室的功能，且可多 次使用。它的结构特征尺寸般在几十或十几个微米【1 7 】。它的特点是： 1 ) 它的分析对象为液体，系统中试样和试剂体积为p l , - - 一n l 或更小； 2 ) 液体流动为受控流动，其流速和流动方向均可通过改变外加条件得到控制，状 态可高度重视，并可实现自动化控制。 3 ) 分析时间短，一般为秒级，可以在很短的时间内完成混合、分流、变向、加速 等复杂的操作； 4 ) 利用现代微加工技术可以实现批量生产。 除了这些共性，根据不同的基底材料可以分为：硅芯片：玻璃芯片；石英芯片；高 聚物芯片；硅一玻璃、硅一石英、玻璃一高聚物等复合材料芯片。不同材料的芯片分析 效果也不一样，加工的工艺参数也有区别，例如玻璃芯片和塑料芯片，前者普遍采用湿 法腐蚀的方法来获得微沟道，后者一般采用热压的方法获得所需要的沟道形状和布局， 可以获得较高的生产效率。在应用中，根据芯片的功能可以分为：高分辨率分离芯片； 微采样( 进样) 芯片；微传感器( 检测) 芯片；前处理芯片；化学反应芯片等。虽然这 一3 一 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 些功能都可以集成在同一块芯片上，但是由于有些部件大小的限制，为了不至于使芯片 的体积增加，所以现在不同功能的芯片有不同的侧重点。相信在将来，这些功能都可以 集成到方寸大小的微芯片上，实现全部分析实验室的功能。 和p - t a s 一样，微流控芯片技术也属于多学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技 术的发展，也依赖于微机电加工技术水平的提高，同时还依赖于应用对象( 当前主要是 生命科学) 的融入。除此之乡 ，材料、电子、光学仪器、计算机等科学领域的发展和介 入也是微流控芯片及g - t a s 取得不断发展和成功不可缺少的条件。为了指导微流控芯片 的设计和应用，它的发展还需要更多的理论基础来支持，需要更深入地理解和掌握物质 在微纳米尺度流动状态下的行为，例如微纳米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规 律等。这些都是这门新兴科学面临的挑战。 从国内外对微流控芯片的研究中可以看出，当今微流控芯片技术的发展趋势有： 1 ) 以电渗流为主要驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力等多种手段； 2 ) 以激光诱导荧光检测方法发展到光度法、电化学、质谱、化学发光等多种检测 手段； 3 ) 以玻璃材料为主发展到玻璃与高分子材料并重： 钔单通道检测发展到多重通道并行检测； 5 ) 完善数学模型，通过计算机仿真模拟简化、优化设计； 印从单纯的毛细管电泳分离、检测发展到包括复杂试样处理的高功能全分析系 统，集成化进一步提高( 如图1 3 、1 4 、1 5 ) 。 图1 3u t a h 大学的集成微流控芯片1 1 8 f i g 1 3i n t e g r a t e dm i c r o f l u i d i cc h i p i nu t a hu n i v e r s i t y 一4 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 美国g e o r g i a 州理工学院多层集成微流控芯片 1 9 1 1 4 a r r a yo f m i c r o t u i d i c c h i p s u s i n gs t e r e o u t h o g r a p h y c r e a t e d i n g e o r g i a i n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y 图1 5 日本s a n k y o 公司生物研究所的集成电泳芯片【2 0 l f i g 1 5 i n t e g r a t e d m i c r o - e l e c t r o p h o r e t i c c h i po f s a n k y o c o ，l t d - 1 2 芯片几何参数对样品运动和分离影晌的研究 1 2 1 沟道质量问题( 几何参数) 的分类 微流控芯片是在压力或电场力的作用下基于微输运理论( 包括电泳电渗流理论、表 面电化学理论、电动学理论等) 达到对样品的输运、分离等。在实验和使用中发现，微 流控芯片的几何、物化参数等对微流体的运动过程及分离效果都有很大的影响。现在一 般的模拟计算或者实验研究只针对理想的等截面直管道，而实际应用中诸如非等截面弯 管道等各型各样的芯片结构越来越多的被采用。鉴于现在对沟道几何参数影响的研究重 点较多，标准也不统一，有必要对其进行细化分类，以便于有针对性的比较和研究。本 文对微流控芯片几何参数影响问题大致分类如下：不等截面直管道( s t r a i g h t b u t n o n - u n i f o r m ) ：包括沟道壁面凸起( c o n s t r i c t i o n ) 、沟道壁面凹坑( c a v i t i e s ) 、形状误差 5 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 ( f o r me r r o r s ) 以及粗糙度( r o u g h n e s s ) ；等截面折弯管道( u n i f o r m b u t n o n s t r a i g h t ) ：包括弯曲管道和拐角( 如图1 6 所示) a 圈1 6 微流控芯片沟道几何参数影响分类 f 姆1 6 c h s s j m 棚岫廿地j n u 眦o f m i c r o f l u i d i c c h i p s g e o m e t r y p a r a m e t e r s 而对于沟道材料的表面改性等其他质量问题，本文不涉及。 1 2 ：2 影响沟道质量的工艺过程 1 2 2 1 光刻和蚀刻( e t c hn g ) 玻璃芯片上的微通道是采用先光刻再刻蚀的方法加工出来的( 具体过程见4 3 章 节) 。掩模板的质量精度、腐蚀剂各组分混合比例、腐蚀温度梯度、腐蚀速率 2 1 、基 片表面缺陷等都会影响微通道加工精度，进而影响样品在沟道中的运动与分离。如图 1 7 所示，腐蚀液的成分和配比对腐蚀后表面的质量有很大的影响 2 2 。 p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 、p d m s ( 聚二甲基硅氧烷) 等高分子聚合物材料芯 片( 或称塑料、有机玻璃芯片) 一般采用金属模具热压复制的方法形成沟道，然后再热 键合进行封接，本文暂只讨论玻璃芯片的制作工艺a 6 大连理工大学硕士学位论文 圈1 7a ) 以h c i ：b o e ( 5 ：1 回的比例在p h o t o m a s k 玻璃基板e 刻蚀出的沟道形貌； b ) 以砸：卸q 0 2 ：h 2 0 ( 5 ：1 0 ：8 2 ) 的比例在p h o t o m a s k 玻璃基板t 刻蚀出的沟道形貌 f i g 1 7a ) c h a n n e l so np h o t o m a s kg l a s ss u b s t r a t e se t c h e dw i t hh c h b o e ( 5 ：1 6 ) ； b ) c h a n n e l so np h o t o m a s k g l a s ss u b s t r a t e se t c h e dw i t hh f ：h n 0 2 ：h 2 0 ( 5 ：1 0 ：8 5 ) 1 2 2 ：2 键合( b o n din g ) 在玻璃基片上刻蚀出微通道后，需要通过键合将包含微通道的基片与另一片基片 ( 也叫盖片) 相结合，达到封装的效果。 玻璃的键合条件非常苛刻。首先对玻璃表面的平整度和洁净度都有一定要求，其次 在热键合的过程中，对应不同种类的玻璃需要采用不同的升温程序，键合温度应当稍高 于退火温度，对于含碱钠钙硅酸盐( s o d a - l i m es i s c a t e ) 玻璃，6 2 0 3 2 的键合温度是比较 合适的，同时升温和降温速率在键合过程中都非常重要，它关系到能否很好地键合且在 键合过程中保证管道不发生形变。温度越高玻璃软化键合越容易，但高温条件下，可能 造成微通道局部变形甚至坍塌 2 3 ，如图1 8 所示。 图1 8 微流控芯片沟道变形的横截面照片 r i g 1 8 p i c t u r eo f c r o s ss e c t i o n o f m j c r o f l u i d i c c h i p sc h a n n e l w i t h d i s t o r t i o n 7 一 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 1 2 3 不等截面直管道( s t r a i g h tb u tn o n u n i f o r m ) 1 2 3 1 沟道壁面凸起( g o n s tr i c t i o n ) 微流控芯片沟道( 主要指侧壁) 出现的壁面凸起，尺寸量级一般是指大于粗糙度量 级，而又不大到对液体流动产生巨大阻碍作用的程度。玻璃、p m m a 材料的芯片，虽 然工艺有所不同，但都经常产生这样的凸起。玻璃芯片的壁面凸起，主要是由于玻璃材 质的优劣及腐蚀、键合加工工艺过程造成的。( 如图1 9 所示) 图1 9 沟道壁面凸起 f l g 1 9c o n s t r i c t i o n0 1 i it h ec h a n n e l w i n g y hk e 2 4 等人对这样的沟道结构在压力驱动下流体运动的影响进行了细致的 实验研究和分析，使用了类似节流阀作用的装置产生一系列大小变化的凸起，给出了这 种情况下的压力分布和质量流率，发现了有趣的流体分离( 流速变化的跳转点) 现象并 给出临界点( 如图1 _ 1 0 所示) 。 图1 1 0 流体流过窄口区域产生流速和压力的分离 f 蟾1 1 0a nm u s t r a f i o no f t h e f l o wp a t t e r na r o u n dt h eo r i f i c eb a s e do nt h ef l o wr a t ea n dp r e s s u r e d a t a 8 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 2 沟道壁面凹坑( c a v j t i e s ) 沟道凹坑、凹陷( 如图1 1 1 所示) 的产生也会对流体的运动有影响，其原因也主 要跟加工工艺环节相关。z e t at a kf o ry u 2 5 等人通过实验和模拟计算两种方法研究了 压力驱动下的气体流经不同尺度的凹坑壁面，指出凹坑较之与凸起对于流体作为阻力的 影响非常小，并通过计算预测了流体分离作为雷诺数( r e y n o l d sn u m b e r ) 的函数的产 生条件( 如图1 1 2 所示) 。 图1 1 l 沟道壁面凹坑照片 f i 磬1 1 1p i c t u r eo f c a v i t i e so nt h ec h a n n e l 巨互蚤= 二 区查王三五习 = = = = 盈 几九n 八几nn 几n 几几几几r l i! ! 竺匕型l ( b ) 图1 1 23 0 x 1 7 x 3 8 2 5 n l n 3 的徽沟道中间截面图( a ) 为包含个凹坑；为包含1 2 7 对凹坑 f i g _ 1 1 2m i d d l e - s e g m e n tp i c t u r e so fm i c r o c h a n n e l s ，3 0 x 1 7 x 3 8 2 5 u m 3 i nd i m e n s i o n s ，c o n t a i n i n g ( a ) o n e a n d 1 2 7c a v i t yo a i r s 1 2 3 3 沟道表面粗糙度( s u r f a c er o u g h n e s s ) 粗糙度是造成微细通道内流动及换热特性偏离大尺度通道值的一个重要原因( 下图 1 1 3 为干涉仪测定的沟道轴向与径向的粗糙度图谱结果) 。虽然很多文章中提及粗糙度 9 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 的影响，但真正对粗糙度做详细研究的到目前为止所知只有w u 2 6 和m a l a 2 7 。w u 并 没有直接测试相对粗糙度的数值，而是根据微细通道内流动阻力的实验结果与常规尺度 通道结果的对比得出了其所用微细通道的等效沙粒粗糙度：m a l a 根据厂家提供的数据 获得相对粗糙度值，并将粗糙度对流动的影响等效为粗糙度粘度，但对于粗糙度对流动 阻力影响的物理机制缺乏进一步探讨。 ab 图1 1 3 干涉仪测定的沟道枉糙度曩) 轴向；b ) 径向 f i g 1 1 3c h a n n e l sr o u g h n e s sb y i n t e r f e r o m e t e rh ) a x i a lo r i e n t e d ；b ) r a d i a lo r i e n t e d 图1 1 4a ) 微加工工艺制作的硅表面，对陈排列的柱状单元；b ) 和c ) 是在均一的沟道壁面匕对 称和不对称交错排列的粗糙元的计算域俯视图 f i g 1 1 4a ) a ne x a m p l e o f as i l i c o ns u r f a c e w i t h m i c r o f a b r i e a t e d , s y m m e t r i c a l l ya r r a n g e d p r i s m e l e m e n t s ；b ) a n dc ) t h es y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a lr o u g h n e s sa r r a n g e m e n t so rt h eh o m o g e n e o u s m l c r o e h a n n e l w a l la n d t h ec o r r e s p o n d i n g c o m p u t a t i o n a l d o m a i n s f r o m t h e t o p v i e w 1 0 大连理工大学硕士学位论文 y a n d o n gh u 2 8 等人利用软件模拟的方法，把粗糙度简化成形状规则的一系列矩形 粗糙元( 如图1 1 4 所示) ，使用有限体积的数值模型( f i t l i t c v o l u m e - b a s e d n u m e n c a l m o d e l ) ，考查了电场力驱动下的液体传输特性。给出了电渗流淌度、电泳淌度、电场 力等对流速、密度场等的影响。 1 2 4 等截面折弯管道( o n i f o r db u tn o n s t r a i g h t ) 由于芯片尺寸、光刻机曝光范围的限制、延长分离通道的需求等原因，需要人为在 微流控芯片分离通道处增加一些弯曲和转折。最初曾有文献报道直角的弯曲通道对分析 的质量没有影响，但很快人们发现这是不对的。人们发现微沟道的弯曲和拐角对于样品 谱带的形状和分离效果都有显著的影响，往往使样品流动不稳定、混乱，导致分离质量 的下降，不利于检测分析，这就产生了对折弯管道研究的必要性。 1 2 4 1 圆弧弯曲( u - s h a p e dt u r n ) 由于过渡平稳、设计简单，因此现在采用圆弧弯曲的沟道设计比较多。在样品迁移 绕过弯曲沟道后，将产生扩散而造成附加的区带增宽 2 9 ，如图1 1 5 所示。该现象又称 为“几何分散”和“跑道效应”( r a c e t r a c k e f f e c t ) ，不仅降低了分离的理论踏板数， 还抵消了长沟道的优点。产生这一问题的原因主要有两个：一是徽通道在弯曲处路程长 短不一，产生样品迁移的相对位置变化；另方面弯曲处电场的分布不均匀，在外沿处 电场场强较低，因而又造成微通道横截面各点速度不一致，两者综合作用，最后造成较 大的区带增宽。在进行基于芯片的理论分析之后，人们把样品谱带展宽的原因归结在微 沟道转弯处的角度和分离通道的宽度上，因为已经发现分离效率的降低主要是因为液体 分子流动时沿弯曲微沟道内径和外径所走的长度不同所致。 带增宽示意图 啦! 。1 5d i f f u s i o nd u et oc u r v em i c r o c h a n n e l 由于弯曲沟道的存在而引起的多余的扩散已经被人们用一个简单的模型描述出来 如下式所示 3 0 【3 1 ： 微沟道的形状误差对样品分离效果的影响 盯m 州z = 其中，盯。是多余的色散增加量( 由弯曲沟道引起的增加量) ，0 是弯曲沟道的角 度( 弧度) ，v c 是样品流动的速度，是沟道的宽度，r c 是弯曲沟道中心线的曲率半 径，d 是样品的扩散系数。 根据上面的公式可以采用以下几种办法来减小由弯道引起的散射：1 使沟道的宽度 变窄：2 刚氐样品的流动速度；3 增加弯道转弯处的半径。 图1 1 6 弯曲沟道结构 1 1 6o n ed e s i g no f c u r v em i c r o c h a n n e l 图1 1 7 弯曲沟道的几种样式 f i g 1 1 7s o m es t y l e so f c u r v em i c r o c h a n n e l s bm p a e g e l 2 9 根据理论公式的指导制作了如图1 1 6 所示形状的弯曲沟道，3 中i m i 生 实验比较了如图1 1 7 所示的几种不同形状弯曲沟道对分离效率的影响。结果表明，斜 1 2 大连理工大学硕士学位论文 坡形弯曲沟道可以提高理论踏板数。该文章最后对实验结果和理论分析的预期结果做了 比较，表明理论分析的结果与实验结果有一定的差距。比