微流控芯片的流体驱动功能单元分析

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：驱动是指通过力的作用使微流控芯片上的液体流动，而流体控制是开关、控制流体的流速和流向及流体的混合。样品在微流控芯片内不同功能模块间输送依赖流体的流动，因此如何实现微尺度下流体驱动、控制，成为芯片设计的关键。

驱动是指通过力的作用使微流控芯片上的液体流动，而流体控制是开关、控制流体的流速和流向及流体的混合。样品在微流控芯片内不同功能模块间输送依赖流体的流动，因此如何实现微尺度下流体驱动、控制，成为芯片设计的关键。随着微流控芯片分离分析研究的扩展，芯片内的微通道往往需制成更复杂的网络结构，存在不同的交汇区域。要在这样的芯片上实现各通道内流体流速和流向的驱动与控制，自动化完成芯片中的进样、分离等操作步骤，对流体的驱动与控制提出了更艰巨的挑战。因此，如何使流体在通道中实现快速、均匀的混合和微型化、集成化的驱动，是微流控芯片发展中要解决的重要问题。

流体在微流控芯片微米级通道中，尺度效应导致其具有许多不同于宏观体系的特点：流体的流动特性发生变化；分子间扩散距离短；微通道的比表面积大；传热和传质速度快等常规驱动方法在微管道中往往效果不好，甚至不可行。根据目前微流控分析发展的情况，微流控分析系统对其驱动系统——微泵，主要有体积、流速控制、泵压三方面的要求。如何设计和加工体积小、流速稳定的微泵，并将其集成到微流控芯片中，值得不断研究和发展。

按泵内有无运动部件，微泵可以分为机械微泵和非机械微泵[37]。

2.3.2.1　机械微泵

机械微(压力)泵，就是把机械能转化为被驱动流体的流动动能。机械微泵的驱动力较大、响应速度快，能够提供与芯片微通道匹配的低流量流体输送，并能够通过某种简易的操作界面与微分析系统进行组装，尤其适合高分子材料类(如PDMS等)芯片的简易界面组装。但是，由于其有可动部件、结构复杂、存在机械磨损和泄漏现象，并且不可避免地需要机械结构，因而其微型化具有相当的难度，不易直接集成到芯片上。

机械微泵多数为薄膜往复式结构，分为有阀和无阀两种类型。机械微泵按驱动方式可分为离心力微泵、热动力微泵、静电微泵、气动微泵、电磁微泵、压电微泵、双金属记忆合金微泵等。

离心驱动是指利用微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为流体驱动力。离心驱动的优点是设备较简单，微泵本身不需控制阀，驱动和控制设备一体化，可以同时集成多个结构单元，实现高通量分析；缺点是芯片内所有液流同时受力，若无外加微阀的配合使用，则无法完成复杂的微流控操作，且旋转的芯片不易与外部试样引入系统、信号检测系统等设备进行联用，这在一定程度上限制了这一技术的应用。

热动力微泵一般由加热器和带有薄膜的充满气体或液体的密封腔体组成，其制动原理是电阻加热和自然冷却导致密封在腔体中的气体压力增大或减小，使泵腔体的薄膜变形，引起被动阀的开或关，从而通道堵塞或畅通。顺序操纵多个阀门的开启、闭合，就可以实现对微流体的驱动。热动力微泵的优点是可用于加热的电压较低，适合于化学传感器相连，且适合批量生产；其缺点是因热延迟会导致制动频率较低。

压电微泵是基于压电晶体的压电特性驱动薄膜振动从而实现泵送流体的。常见的压电材料有压电片、PZT压电堆、压电薄膜。压电驱动的优点是体积小、结构简单、易于集成化、加工难度低、制作速度快，并且响应时间短、能耗低、效率高；其缺点是驱动电压高、振幅小，自吸困难，这限制了其应用范围。

气动微泵一般基于现有的气动微阀设计而成，采用压缩空气作为动力，通过薄膜的往复变形而造成容积变化，通过将几个气动微阀串联工作，在微通道中产生蠕动。简而言之，通过泵送膜的顺序激活，被束缚在激活的两个泵送膜之间的一段液体远离其初始位置，在微通道中产生单向位移。气动微泵既不需要电力作为动力，也不会过热，可以输送的流体十分广泛。气动微阀的特点是流体流动有脉动性，气源采用外置气源和控制阀，外部设备体积较大。

静电驱动是基于库仑力的原理，在其中一个固定电极上加单一极性电压，在另一个与泵膜相连的可动电极上加交变电压，交替产生双向形变，从而实现泵送功能。静电微泵具有低功耗、响应速度快、驱动频率高、结构简单、便于操作等优点。但是，其驱动电压高、体积冲程小，且需在微泵中加入防止电路短路的绝缘膜，对加工工艺的要求高。它利用了流体的高介电常数和低导电性，流体的介电常数越高，相同驱动电压和尺寸下微泵的静电力就越大，因此即使两个电极之间的距离相对较大，也可以通过提高流体介电常数来获得足够的驱动力，但这种微泵的缺点是只能用于导电流体。

电磁微泵的原理是将永磁铁贴在泵膜上，利用线圈产生的交变磁场使永磁体运动，带动泵膜往复运动，从而达到泵送流体的目的。电磁驱动的优点是输入电压低、泵膜变形大、制动力较大、频率调节方便、响应快，并且可以远程控制；其缺点是能耗高、电磁材料微加工困难，且由于存在线圈而难以微型化，因此体积较大、结构复杂。

2.3.2.2　非机械微泵

非机械微泵主要通过把电、光、磁、热等形式能量转化(或施加)到被驱动流体而直接驱动流体，使之具有运动动能，将非机械能转换为微流体的动能。由于其一般为无阀结构，没有运动部件，结构简单，易于加工和制备，因此可以制成平面结构，或者直接与微流控芯片一体化加工，这便于微泵的微型化、集成化。并且，无阀泵能精确检测和控制流量，由于液流无脉动、流量连续稳定，因此常称为动态连续流泵，其流速范围可在几nL/min～几百μL/min之间变化。非机械微泵可分为电驱动泵、离心力驱动泵、磁驱动泵、重力驱动泵、电渗泵、光驱动泵、毛细作用微泵等。(www.chuimin.cn)

电驱动泵通常是在储液池的两端放置外电极，通过在电极上施加电压来利用流体中带电离子在电场作用下的迁移，从而带动整个流体迁移流动。这种微泵的优点是无阀无活动部件、结构简单、对微加工工艺要求不高、成本低。近年来，随着微机械加工技术的发展，芯片上集成电极成为可能，出现了在芯片上利用集成阵列电极来施加电场，从而实现微流体驱动的方式。阵列电极的方式主要应用在介电电泳芯片、低电压电泳芯片和交流电渗泵等方面。但这种微泵对流体的介电性质有特殊要求，只能用于绝缘液体或导电率极低的液体，如乙醇、丙酮、异丙醇等。

离心力驱动是利用离心机带动芯片做圆周运动所产生离心作用以驱动流体的技术，试剂和样品需提前预存储于芯片上，通过调节离心力的方向、大小(转速)，并结合液体通道特定位置加工憎水区域或鱼骨通道微结构的方法，实现被动突破阀的功能。通过控制电机转速，可以调控不同试剂依次进入分析腔室，从而实现混合、反应及检测。离心力驱动泵具有系统结构简单、便携和集成性好的特点。而且，可在芯片上设计多个并行单元来提高检测通量，芯片一般为圆形，多个重复单元在芯片上呈辐射状分布。Cepheid公司的GeneXpertR PCR分子诊断系统使用了旋转式微阀泵进行样品制备和实时PCR[32]。

采用磁激发的磁驱动泵也是一种微流体驱动控制技术——磁流控技术。与光驱动泵一样，其一般需要在被驱动流体中添加亲磁性纳米粒子介质，实现对流流体的有效控制。磁驱动泵的结构简单、成本低，驱动电压低，流动稳定流动无脉冲，流动方向易于调节且可双向控制；其缺点是驱动的流体必须是磁流体或导导电率较高的流体电液体，并且需要外加的设备。

重力驱动是指利用地球的自然重力场作用力，主要利用储液池和输出通道出口之间的液面差，不需要额外的动力源。重力驱动泵的压力低、流量可控，可以驱动任何流体。重力驱动泵的优点：泵结构简单，没有活动的机械部件，无须任何能源系统，操作简单，易进行多通道驱动操作，流体流动无脉冲，对流体性质要求不高。重力驱动泵的缺点：泵压较小，流速不易调节，液流更换较为不便，不能采用消除驱动力的方法实现停泵停流。

电渗泵利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动。制备芯片常用的硅、玻璃和高分子聚合物(PMMA、PDMS)等材料的表面常常发生水解并极化，形成硅烷醇表面基团并选择性吸附某种离子而带电，相应地吸引表面附近液体中的电性相反的离子，构成带电表面和液体双电层。在通道两端加电压，带电流体被库仑力驱动而移动，继而带动通道内界面包裹的液流产生电渗流——液体的流动。电渗驱动技术具有可实现微米级通道内nL/min至μL/min流量级的驱动、流量适中、连续输液、无脉动、无可动部件、无机械磨损以及避免单向阀和动态密封的微渗漏等特点，容易集成。由于流体黏性作用，压力驱动的微通道流动一般通道中心流动速度较高，而靠近管壁的速度较慢，因此出现微抛物线流型，流体呈弥散现象。另外，当微通道尺寸缩小时，在同样驱动压力下流速会急剧下降；而如果利用电渗流，则管道内速度分布均匀，没有弥散，并且即使管道尺寸缩小，流速也不会下降，这是因为电渗流只与电压有关[38]。电渗微泵的主要缺点是只能驱动可产生电渗流的流体介质。

光学微泵驱动是通过强汇聚的光束来控制微小粒子的一种技术。与压电泵等微型泵相比，光驱动泵具有结构简单、尺寸小和可大规模集成等优点；与电渗泵相比，光驱动泵具有不受驱动流体介质性质所限的优势。通过将胶体粒子组装到微通道交叉处可以组装成“凸轮泵”，由四个粒子可以组成双凸轮泵。利用光驱动，可以采用计算机控制的压电镜和扫描激光光镊技术将构成泵的粒子一个个操纵并组装。通过一束激光束以一定时间间隔扫描，两个微马达可以协调工作。

由毛细作用力驱动的微泵，其结构相对简单，既不需要较大的驱动器，也不需要外界力的作用，仅通过毛细管微通道对液体的毛细作用力来驱动液体前进。以毛细和蒸发作用为驱动力的微泵，由储液管、蓄水池、吸水膜和蒸发孔组成。它以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力。在同一工作日的一般温湿度波动范围内，微泵可在较长时间内提供稳定的μL/min级液体流速。通过改变蒸发孔的面积或使用风扇，可调节微泵的流速，微泵的流速精度一般优于3%。毛细作用微泵的结构简单、造价低、体积小、流速稳定、可长时间连续使用及流速易于调节，具有不外接能源、运行时间任意长、不受限制(环境的相对湿度＜100%)的优点。

2.3.2.3　液滴操控

与连续相驱动不同，微流控领域发展了将液体分割成液滴进行更小体积操控的技术。为了得到离散相的液滴，通常会使用不同性质的两种液体相互隔绝，一种作为连续相，另一种作为分散相，分散相以微小体积单元——液滴的形式分布在连续相中。液滴微流控技术依靠对微尺度下流体流动的精确控制来控制液滴的产生，因此不但得到的微液滴分散体系高度均一，而且可以独立控制每个液滴的尺寸、结构等特性。

传统的液滴生成方法(基于T形结构、流动汇聚型和共轴聚焦法微液滴技术)仍然被广泛使用。其中比较普遍的是T-junction法，该方法主要通过不混溶的两相液体在界面处相互作用(剪切力和界面张力)来生成液滴，只需要简单的通道结构设计就能实现。此外，还有一些新的方法有助于开展液滴实验，如无外围配套设备的真空诱导技术、通过拉动和推动泵盖产生正负压力的Lip泵技术和限制坡度技术。通常制作出均一且稳定的微液滴后，对产生的微液滴进行操纵是最大化应用微液滴的关键，要在微液滴中加入待检样品或反应试剂，通过分裂液滴控制反应物的含量以及通过混合来进行启动和终止反应等操作。因此，在生成液滴后，常进行液滴的裂分、合并、混合、分选、捕获、定位和移位等操作技术，包括设计特定的几何通道结构，利用电场进行操控，以及利用如表面声波、光电润湿技术，进而对微粒、细胞等对象的操控能力大为提升。例如，首先在芯片不同位置生成包含不同溶液的液滴，通过微通道尺寸、结构等来控制它们在特定位置相遇，有时通过它们之间的表面张力自动融合，还有可能需要电和光来促进融合过程。根据是否有外部施加能量场，可将微液滴的分裂分为主动分裂方式和被动分裂方式。

除了在通道中运动，液滴还能在受控的平面上运动，进行反应和检测。由液滴表面的电浸润现象，可通过电极施加电压来改变液滴与疏水固体之间的表面张力，进而改变液体在固体表面上的润湿性。当电极施加的电压对液滴造成的不平衡力超过液滴惯性力或所受阻力时，液滴会按照电压施加的顺序在各电极表面移动，达到对液滴调控的目的，实现液滴的产生，并控制离散(单个)液滴输送和分裂合并，从而实现宏观操作上的稀释、量取、混合和分析等步骤，这称为数字液滴微流控芯片技术[38，39]。

2.3.2.4　组合驱动流体技术

组合驱动流体技术是指采用一种以上驱动原理的微流体驱动与控制技术，通过将常见的电、光、磁、热等一种(或几种)驱动形式的有效组合而实现。这些组合形式对于发展多维分离分析技术十分重要。

微流控芯片的流体驱动功能单元分析

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