自20世紀(jì)70年代提出儀器微型化思想和隨后的1990年Manz與Widmer等提出以多學(xué)科交叉為重要特征的微全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis system,μ-TAS)概念以來(lái),經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,微分析系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越顯示出其重要性。微流控芯片(microfluidic chip)或芯片實(shí)驗(yàn)室(lab on a chip)、芯片化工廠(factoryona chip)已經(jīng)成為微分析、微化工領(lǐng)域廣為熟知的術(shù)語(yǔ)。微分析系統(tǒng)不僅使樣品與試劑消耗降低到微升至納升級(jí),而且使分析速度成十倍、百倍地提高,可以方便的實(shí)現(xiàn)高通量樣品分析處理;同時(shí)還降低了分析成本,極大地減少了對(duì)環(huán)境的污染。在微系統(tǒng)特別是微流控芯片系統(tǒng)所必須的各種功能單元中,微流體驅(qū)動(dòng)與控制操作單元尤為重要。在微系統(tǒng)條件下,由于尺度的減小,微流體器件的面/體比大大增加,表面張力的影響變得十分明顯,流體的流動(dòng)特性發(fā)生了變化。因此,在工程意義上,常規(guī)的(宏觀)流體體積流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)與控制方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。近年來(lái),微系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多地涉及到納米通道(nanochannel)和納流控制,微系統(tǒng)已經(jīng)成為在分子水平上進(jìn)行生命科學(xué)、藥學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程研究的重要平臺(tái)之一。同時(shí),這也對(duì)流體的驅(qū)動(dòng)與控制提出了更艱巨的挑戰(zhàn)。

微米與納米尺度構(gòu)件中流體的驅(qū)動(dòng)與控制是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)中經(jīng)常要遇到的問(wèn)題,并在微型傳感器、微型致動(dòng)器等微器件,以及生物、化學(xué)分析和微化學(xué)工程中具有廣泛的應(yīng)用。與以往相比,近年來(lái)微系統(tǒng)中流體的驅(qū)動(dòng)與控制出現(xiàn)了一些新的情況。一般地,流體的流量趨向于在更低流量水平上(pl/min,即10-12L/min)的驅(qū)動(dòng),更多的關(guān)注流量為100pl/min—50μlΠmin范圍,壓強(qiáng)為幾個(gè)厘米水柱到幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓不等的流體驅(qū)動(dòng),并在很多情況下要求流量/壓強(qiáng)可控、流動(dòng)相組成和流向可控;當(dāng)然,在pl—nl/min流量下,一般不強(qiáng)調(diào)壓強(qiáng)。微系統(tǒng)輸液的要求如下:輸液脈動(dòng)小于3%,重現(xiàn)性誤差<1%,流量準(zhǔn)確度誤差≤±10%,以保證保留時(shí)間的重復(fù)和定性定量的精度。流動(dòng)注射、毛細(xì)管電動(dòng)色譜等分析系統(tǒng)要求輸液的壓強(qiáng)0.1—2MPa,流量50pl/min—200μl/min,而且更換溶劑方便、死空間小、易于清洗和耐腐蝕等。就目前的技術(shù)和輸液泵的激勵(lì)原理而言,流量在0.1μl/min具有一定壓強(qiáng)的泵技術(shù)已經(jīng)逐步成熟,并出現(xiàn)了一些重要的新的滿足微系統(tǒng)需要的泵技術(shù)。目前,微流體的驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)種類(lèi)很多,基于的原理和形式不盡相同。按照普遍接受的分類(lèi)法,微系統(tǒng)常用液體驅(qū)動(dòng)形式即微尺度泵技術(shù)歸納如下。

(1) 機(jī)械微型(壓力)泵(mechanicaldisplacementmicropump),就是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)動(dòng)能。這類(lèi)泵有可移動(dòng)部件,例如截止閥(checkvalve)、振動(dòng)膜或渦輪,包括截止閥泵(check2valvepump)、往復(fù)泵(peristalticpump)、無(wú)閥校正泵(valvelessrectificationpump)、旋轉(zhuǎn)泵(rotarypump)和超聲波泵(ultrasonicpump)等。該類(lèi)泵流量和壓強(qiáng)容易與微輸液匹配,并更多地強(qiáng)調(diào)流量匹配;一般情況下不強(qiáng)調(diào)泵的微型化和集成化。行星齒輪泵往往也歸到這一類(lèi)中,一般的行星齒輪泵無(wú)閥無(wú)活塞,可以連續(xù)輸液;但有動(dòng)態(tài)密封,存在滲漏和機(jī)械磨損。

(2) 非機(jī)械微型泵(non2mechanicalmicropump),就是通過(guò)把其它能量形式(電、光、磁、熱等)轉(zhuǎn)化或施加到被驅(qū)動(dòng)流體,使之具有運(yùn)動(dòng)動(dòng)能,由于其一般為無(wú)閥結(jié)構(gòu),因此常稱為動(dòng)態(tài)連續(xù)流泵。根據(jù)電液動(dòng)力學(xué)(electrohydrodynamics,EHD)原理設(shè)計(jì)的電(直接)驅(qū)動(dòng)(流體)泵即電動(dòng)泵(electrokineticpump,EKP)屬于其中的重要一類(lèi),如電泳泵(electrophoreticpump)、電滲泵(electroosmoticpump)和電化學(xué)泵(eletrochemicalpump);磁流體動(dòng)力泵(magnetohy2drodynamicpump,MHD)是另一種重要的類(lèi)別,近年來(lái)也發(fā)展了通過(guò)在流體中添加親磁性納米粒子介質(zhì)而驅(qū)動(dòng)與控制流體的磁流控技術(shù);而新近出現(xiàn)的新穎的光驅(qū)動(dòng)泵技術(shù),則是采用光控制方法控制微系統(tǒng)的流體輸送,是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ倪B續(xù)流泵技術(shù)。此外,基于表面張力、重力和離心力等的驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)也取得了快速進(jìn)展。

由于國(guó)內(nèi)外已有一些很好的流體驅(qū)動(dòng)與控制的綜述和專(zhuān)著,本文側(cè)重歸納總結(jié)重要的基于電、光、磁、熱等一種或幾種組合致動(dòng)形式的連續(xù)動(dòng)態(tài)流微泵驅(qū)動(dòng)技術(shù),對(duì)其主要技術(shù)特點(diǎn)做了分析說(shuō)明,試圖反映國(guó)內(nèi)外微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的最新研究成果。

1流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1.1機(jī)械微型泵技術(shù)

目前,商品化的機(jī)械微型泵已經(jīng)十分成熟,以物理原理分類(lèi),主要有以下3種形式。

(1) 活塞式活塞直接和流動(dòng)相接觸,含動(dòng)態(tài)密封和單向閥,主要有往復(fù)泵、注射泵(包括電機(jī)、氣動(dòng)和電磁力驅(qū)動(dòng))?；谠撛淼谋?壓力和流量波動(dòng)是不可避免的。

(2)隔膜式驅(qū)動(dòng)力通過(guò)某種介質(zhì)推動(dòng)隔膜,隔膜再壓縮或吸入流動(dòng)相,含單向閥,主要有隔膜泵(包括電機(jī)、氣動(dòng)、電磁力和壓電驅(qū)動(dòng))和蠕動(dòng)泵(主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng))。

(3)齒輪式用行星齒輪壓縮流動(dòng)相,含動(dòng)態(tài)密封。

以上3種輸液形式,其泵壓力一般在1—10atm和0.1μl/min至幾十μl/min的流量。在低壓下(小于0.2MPa)可以提供穩(wěn)定的μl/min級(jí)流量,其中注射泵能提供準(zhǔn)確重復(fù)的1μl/min流量。美國(guó)Isco公司、Micro2TechScientific和Eldex公司分別標(biāo)明它們的注射泵和注射-往復(fù)泵都能提供0.01μl/min的流量精度和0.1μl/min的流量。微型機(jī)械泵能夠提供與芯片微通道匹配的低流量流體輸送,并能夠通過(guò)某種簡(jiǎn)易的操作界面與微分析系統(tǒng)進(jìn)行組裝,尤其適合高分子材料類(lèi)(例如PDMS等)芯片的簡(jiǎn)易界面組裝,其連接管可以使用商品的醫(yī)用連接管。由于不可避免地需要機(jī)械結(jié)構(gòu),因而其微型化具有相當(dāng)?shù)碾y度,這類(lèi)泵驅(qū)動(dòng)單元很少能直接集成到芯片上。因此,微型機(jī)械泵能夠滿足微分析系統(tǒng)一定條件下的輸液要求。

1.2非機(jī)械微型泵技術(shù)

非機(jī)械微型泵主要通過(guò)把電、光、磁、熱等能量形式轉(zhuǎn)化或施加到被驅(qū)動(dòng)流體而直接驅(qū)動(dòng)流體的動(dòng)態(tài)連續(xù)流泵。由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),特別適合于微系統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)與控制,從而引起科研人員的廣泛重視。在此我們主要介紹電驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)、光驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)、磁驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)和基于表面張力的微型泵技術(shù)。

電驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)

在很早以前,利用直流電或低頻交流電直接驅(qū)動(dòng)流體還是一個(gè)夢(mèng),但現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí),這就是電液動(dòng)力泵(electrohydrodynamicpump,EHD)。這項(xiàng)研究始于20世紀(jì)60年代離子拖拽泵(iondragpump,IDP)。IDP是一種利用流體中帶電離子在電場(chǎng)作用下的遷移運(yùn)動(dòng),從而拖動(dòng)離子水合溶劑一起運(yùn)動(dòng)宏觀表現(xiàn)為流體流動(dòng)的輸液泵[15],實(shí)驗(yàn)裝置最初在米級(jí)大尺寸范圍進(jìn)行,驅(qū)動(dòng)電壓數(shù)千伏。隨著微制造技術(shù)的進(jìn)步,出現(xiàn)了蝕刻在單晶硅上的微型IDP。該微型泵主要有兩片蝕刻在單晶硅上網(wǎng)格通道通過(guò)電極對(duì)接(距離350μm)而成,通過(guò)在初始網(wǎng)格注射離子流體,流體中含有的離子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)。目前已經(jīng)可以在芯片上利用EHD實(shí)現(xiàn)流體的快速混和操作。

根據(jù)EHD原理研制的EKP主要有基于電滲流(electroosmoticflow,EOF)的電滲泵(electroosmoticpump,EOP)以及基于電泳分離即電泳流(electrophreticflow,EPF)的電泳泵(electrophoreticpump,EPP)兩種主要的泵技術(shù)。圖1為芯片EPP和EOP的示意圖(當(dāng)微通道的尺寸減少時(shí),EPP逐步過(guò)渡為EOP)?？紤]到其重要性,我們?cè)诖撕?jiǎn)要而重點(diǎn)地概述其發(fā)展歷史和特點(diǎn)。EPP也可稱為開(kāi)通道電滲泵(o2EOP),主要依靠電場(chǎng)作用下的微通道中介質(zhì)的電泳遷移和(或)電滲流原理,是一種無(wú)閥、無(wú)機(jī)械部件的直接液流驅(qū)動(dòng)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)通道內(nèi)nl/min至幾個(gè)μl/min流量的驅(qū)動(dòng),具有流量適中、液流無(wú)脈動(dòng)和容易集成等優(yōu)點(diǎn),在毛細(xì)管電泳的分離分析中已得到廣泛的應(yīng)用。盡管μ2TAS、微流控芯片等微系統(tǒng)領(lǐng)域已出現(xiàn)了壓力、重力、離心力和剪切力等多種流體驅(qū)動(dòng)方法,但EPP仍是目前最主要的液體驅(qū)動(dòng)手段。微流控芯片中微通道的很多性質(zhì)與毛細(xì)管相似,如表面特性等,但也有很大的不同,主要體現(xiàn)在進(jìn)樣方法和微通道的結(jié)構(gòu)等。同時(shí),隨著微流控芯片分離分析研究的擴(kuò)展,芯片內(nèi)的微通道往往需制成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),存在不同的交匯區(qū)域。要在這樣的芯片上實(shí)現(xiàn)各通道內(nèi)流體流速和流向的驅(qū)動(dòng)與控制,自動(dòng)化完成芯片電泳分離分析過(guò)程中的進(jìn)樣、分離等操作單元,最簡(jiǎn)便的途徑是通過(guò)調(diào)節(jié)微通道網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的電壓值來(lái)調(diào)控流體,多個(gè)電極電壓可編程控制和穩(wěn)定輸出的智能控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)儀十分必要。EOP發(fā)生于溶液2固體界面,為了有效增加界面的表面積充分利用EOF,通過(guò)在微毛細(xì)管或微通道中填充介電絕緣微粒子是一種很容易想到的方法,這就是填充床電滲泵(packed2bedelectroosmoticpump,p2EOP)。同時(shí),填料粒子還可以增加EOF的逆流阻力,從而提高輸出壓力。其工作原理類(lèi)似于毛細(xì)管電色譜(CEC),從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)高壓微流量精確操縱液體的目的,因此這類(lèi)泵又稱作高壓電滲泵。EOP的典型特征是高壓低流量,其一般壓力范圍為0.1—50MPa的壓力差,流量為納升至微升級(jí)。EOP在2000年左右首次報(bào)道,目前已經(jīng)十分成熟,并發(fā)展出多種形式,例如填充床、平行多通道、整體柱和微孔膜等。以下簡(jiǎn)單介紹平行多通道電滲泵和一些新技術(shù)。

圖1芯片電泳泵和電滲泵示意圖

平行多通道電滲泵是一種基于電滲原理的微泵,由數(shù)百個(gè)并聯(lián)的小直徑微通道甚至是納米通道構(gòu)成。它能夠提供與微芯片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兼容的流量和壓力,滿足一般的分析應(yīng)用,即0.05—1μl/min流量和1—6atm的背壓,并且體積很小能夠容易地實(shí)現(xiàn)單個(gè)泵的多元復(fù)合。當(dāng)通道為納米通道時(shí)該類(lèi)泵即為納米通道電滲泵,其功能和p2EOP完全一樣。納米通道電滲泵具有較高的輸送壓力,其壓力在1—10atm,流量為微升級(jí)。本質(zhì)上,由于納米通道中電泳遷移很難參與流體輸送,該類(lèi)泵是真正的電滲泵,其原理和填充毛細(xì)管通道電滲泵完全一樣。理想的電滲泵應(yīng)該是用電池驅(qū)動(dòng)的,如何有效降低驅(qū)動(dòng)電壓十分關(guān)鍵。與一級(jí)電滲泵相比三級(jí)電滲泵提供了一個(gè)重要的思想,就是可望研究出基于芯片的或微型化的多級(jí)電滲泵作為微流體元件,已經(jīng)有研究人員成功研制出基于膜的10級(jí)電滲泵;另一種有效的方法是采用微通道膜作為電滲泵的介質(zhì)。EKP在微流控分析系統(tǒng)中十分重要,因?yàn)槊?xì)效應(yīng),這常常是推動(dòng)微米級(jí)管道(50—500μm)中流體的最為有效方法;由于沒(méi)有移動(dòng)部件,所以容易制作,可以設(shè)計(jì)制作在極小的空間體積內(nèi),并能與芯片兼容。EKP可以輸送緩沖溶液和極性有機(jī)溶劑,對(duì)于一般的分析化學(xué)包括液相色譜、毛細(xì)管電泳和微流控芯片中涉及的多數(shù)流體均能輸送。EKP在毛細(xì)管液相色譜、流動(dòng)注射分析(FIA)、順序流動(dòng)注射分析(SFIA)和微量藥物輸送等微流體系統(tǒng)中的應(yīng)用方面有著很大的潛力。EKP的主要缺點(diǎn)是只能驅(qū)動(dòng)可產(chǎn)生電滲流的流體介質(zhì)。

電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是十分高效的驅(qū)動(dòng)手段,EKP在引發(fā)從常規(guī)電泳轉(zhuǎn)向毛細(xì)管電泳的技術(shù)革命,并在生命科學(xué)等研究領(lǐng)域起到了不可替代的作用。但是隨著微納尺度構(gòu)件技術(shù)的迅速發(fā)展,其局限性也越來(lái)越多地顯現(xiàn)出來(lái)。如表1所示,EKP技術(shù)非常適合通道尺寸在50—500μm的范圍使用,這個(gè)尺寸也是毛細(xì)管電泳和微流控芯片的通道尺寸范圍;由于其等效電阻處于中等水平,使用微電流(0—500μA)的單路直流電壓(0—30kV)和多路直流電壓(0—510kV)系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管電泳和微流控芯片的微流體的高效驅(qū)動(dòng)與控制,而且避免了常規(guī)電泳的大尺寸引起的極高的焦耳熱。但是,電驅(qū)動(dòng)技術(shù)并不十分適合通道尺寸在1—50μm的范圍使用,這個(gè)尺寸也是單分子研究特別是生物大分子研究的通道尺寸范圍,由于等效電阻很大,即使很短的通道也要求較高的驅(qū)動(dòng)電壓,而在納米通道,電驅(qū)動(dòng)的局限性更大,甚至是不可能的,在這個(gè)區(qū)域需要發(fā)展更高效的驅(qū)動(dòng)手段。光、磁驅(qū)動(dòng)在解決這類(lèi)納米尺度流體輸送時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)。

表1電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的限定性

光驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)

采用光激發(fā)的泵(optically2actuatedpump)和混合器即光驅(qū)動(dòng)泵(optically2drivenpump,ODP)是近年來(lái)微泵技術(shù)取得的重要進(jìn)展。一個(gè)逐漸被學(xué)術(shù)界接受的新名詞“光流控(optofluidics)”已經(jīng)出現(xiàn)。光流控就是融合微流控、光學(xué)技術(shù)和傳感器技術(shù)的微流體控制技術(shù)。光流控的本質(zhì)是ODP技術(shù),由于ODP具有很多優(yōu)點(diǎn):例如與壓電泵(piezoelectricpump)等微型泵相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小和可大規(guī)模集成等特點(diǎn);與EKP相比,不受被驅(qū)動(dòng)流體介質(zhì)性質(zhì)的限制等,因此它有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。以下簡(jiǎn)單介紹ODP技術(shù)。

1992年Chaudhury等提出了表面自由能空間梯度(spatialgradients)驅(qū)動(dòng)液滴原理,認(rèn)為可以利用光、熱、化學(xué)或電化學(xué)的作用,使之在作用于微液滴時(shí),由于在液滴兩面的相對(duì)表面張力不平衡實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的驅(qū)動(dòng)。Ichimuru等首先利用“光導(dǎo)”(guidinglight)成功移動(dòng)液體,當(dāng)用不對(duì)稱光照射一個(gè)“光敏2致異構(gòu)化”物質(zhì)表面時(shí),物質(zhì)表面將產(chǎn)生一個(gè)表面張力梯度,從而推動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。盡管水和聚乙二醇不能用該法驅(qū)動(dòng),但是可以用該法將2μl的橄欖油小液滴以35μm/s速度沿“光致異構(gòu)化”物質(zhì)表面上移動(dòng)。用小滴液晶NPC202所做的相似實(shí)驗(yàn)表明,在液滴開(kāi)始移動(dòng)之前大約有20s的時(shí)間延遲。在一個(gè)內(nèi)壁有涂層的玻璃管里,NPC202小液滴的運(yùn)動(dòng)可以得到控制,可以用不對(duì)稱的UV光驅(qū)動(dòng)液滴向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),用不對(duì)稱的藍(lán)光驅(qū)動(dòng)液滴向反方向運(yùn)動(dòng)。

近年來(lái),人們利用光驅(qū)動(dòng)技術(shù)做了許多有意義的工作,例如:通過(guò)將膠體粒子組裝到微流通道Π室可以組裝成“凸輪泵”,由4個(gè)3μm粒子可以組成一個(gè)雙凸輪“凸輪泵”;如果該類(lèi)泵由6個(gè)粒子組成,則可以成為蠕動(dòng)泵。構(gòu)成泵的粒子采用計(jì)算機(jī)控制的壓電鏡和掃描激光光陷技術(shù)一個(gè)個(gè)組裝和操縱組裝。操作時(shí),采用光攜(opticaltraps)控制粒子運(yùn)動(dòng)達(dá)到驅(qū)動(dòng)流體的目標(biāo),其中“凸輪泵”的流速為3μm/s。類(lèi)似的泵可參見(jiàn)Leach等的工作,他們?cè)谖⒘魍ǖ乐胁捎玫牧Ｗ又睆綖?μm,泵的流速為8μm/s(200fl/s)。Maruoa和Inoue采用三維雙光子(three-dimensionaltwo-photon)微制造技術(shù)制作了光驅(qū)動(dòng)的“凸輪泵”。微泵主要由微通道內(nèi)一對(duì)直徑為9μm的微馬達(dá)構(gòu)成,通過(guò)一束激光束的時(shí)間間隔掃描,微馬達(dá)可以協(xié)調(diào)工作,實(shí)驗(yàn)表明,示蹤粒子(tracerparticle)可以與兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)同步運(yùn)動(dòng),如圖2所示。示蹤粒子的速度與馬達(dá)的轉(zhuǎn)速成正比,流速為0.2—0.7μm/s,流速估計(jì)在皮升以下(sub-pl/min)級(jí)水平。

圖2光驅(qū)動(dòng)泵輸液時(shí)的連續(xù)圖像

采用光控制流體輸送的另一種形式是介質(zhì)添加法。操作時(shí),首先在所輸送流體中添加光-熱敏感納米粒子(photothermalnanocrescentparticle,PNP),當(dāng)聚焦的光束照射流體時(shí),由于PNP光熱效應(yīng)導(dǎo)致被照射的流體局部溫度上升,引起液-氣界面的水蒸發(fā)———蒸發(fā)過(guò)程;相對(duì)較冷的蒸氣則在液-氣界面的前面冷凝成小水滴———冷凝過(guò)程;最后,水滴重新融合在本體的液體中———融合過(guò)程。由于上述過(guò)程(蒸發(fā)過(guò)程-冷凝過(guò)程-融合過(guò)程)是連續(xù)進(jìn)行的,隨著光斑的移動(dòng),液-氣界面即光流就會(huì)前行。由于光可以精密地聚焦和控制,因此可實(shí)現(xiàn)光對(duì)流體進(jìn)行精密的操縱和控制,極其適合在微流控芯片上進(jìn)行微納尺度微流體控制操作,并具有大規(guī)模集成應(yīng)用的前景,因而具有更大的發(fā)展?jié)摿?/span>。

磁驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)

采用磁激發(fā)的泵(magnetic-actuatedpump)即磁驅(qū)動(dòng)泵(magnetically-drivenpump,MDP)也是一種重要的微流體驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)———磁流控技術(shù)。MDP也稱磁流體動(dòng)力微泵(magnethydrodynamicpump,MHP),常見(jiàn)的形式有兩種,直流電驅(qū)動(dòng)的磁流體動(dòng)力微泵(DC2MHP)和交流電磁微泵(AC-MHP)。DC-MHP原理是:將分別接直流電源正、負(fù)極的電極板和兩塊永久性磁鐵(N、S兩極相對(duì))垂直放置,Lorentz力方向(右手定則判斷)即是流體被驅(qū)動(dòng)方向。該類(lèi)泵構(gòu)造十分簡(jiǎn)單,可以制作在硅片上,據(jù)此原理設(shè)計(jì)了一種微通道尺寸為1mm寬,014mm高,40mm長(zhǎng)的微泵,在電流118mA時(shí)流量為63μl、min,壓強(qiáng)為幾十毫米水柱。DC-MHP泵的優(yōu)點(diǎn)是:流體流向雙向可調(diào),例如改變電場(chǎng)方向即可改變流體流向;適用于中性電導(dǎo)液,可以用于生物醫(yī)藥例如藥物傳送或微流體驅(qū)動(dòng);帶正、負(fù)電荷的離子在Lorentz力的驅(qū)動(dòng)下將按同一方向運(yùn)動(dòng)等。主要缺點(diǎn)是,電壓稍高或溶液中電解質(zhì)離子濃度較大時(shí)極易電解產(chǎn)生氣泡。為此,現(xiàn)已在硅片上設(shè)計(jì)出用交流電供電可產(chǎn)生連續(xù)和無(wú)脈動(dòng)的液流AC-MHP。AC-MHP設(shè)計(jì)的新穎之處在于,將正弦曲線的電場(chǎng)與一個(gè)同步的交流磁場(chǎng)垂直放置,由于這兩個(gè)場(chǎng)是同步的,將使得Lorentz力方向指向同一方向,沒(méi)有電場(chǎng)梯度產(chǎn)生;而當(dāng)高頻交流電場(chǎng)通過(guò)電解質(zhì)溶液的時(shí)候,化學(xué)反應(yīng)快速地可逆進(jìn)行,從而不形成氣泡。與光激發(fā)泵相似,磁流控技術(shù)一般需要在被驅(qū)動(dòng)流體中添加親磁性納米粒子介質(zhì),實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的有效控制;但由于磁場(chǎng)的“不可見(jiàn)性”和其聚焦相對(duì)困難,因此,磁驅(qū)動(dòng)一般是把磁場(chǎng)作為一個(gè)類(lèi)似電場(chǎng)的分離場(chǎng)對(duì)待,這對(duì)發(fā)展二維的微流控芯片十分重要,即微自由流磁泳技術(shù)。

基于表面張力的流控技術(shù)

在幾個(gè)毫米左右及更小尺度下,通常的重力和摩擦力不再起主導(dǎo)作用,表面張力(surfacetension)變得越來(lái)越明顯,因此可以利用表面張力現(xiàn)象發(fā)展新的泵技術(shù),對(duì)流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。利用光致表面自由能空間梯度可以驅(qū)動(dòng)液滴。以下簡(jiǎn)單介紹微型電化學(xué)致動(dòng)汞泵(electrochemically-actuatedmercurypump,ECMP)和恒流重力泵(gravitypump,GP)技術(shù)。

微型ECMP的設(shè)計(jì)就是巧妙地利用了常溫下液態(tài)汞在微尺度下的表面張力現(xiàn)象。汞滴的表面由于電荷的積累和減少會(huì)引起表面張力發(fā)生改變,表面張力改變會(huì)引起汞滴的曲率增大或減少,使汞滴發(fā)生形變。利用汞的形變產(chǎn)生的“機(jī)械力”可以激發(fā)流體流動(dòng)。汞泵有兩部分組成,一個(gè)上部開(kāi)口的容器和一個(gè)T形毛細(xì)插入部分,T的垂直部分底部開(kāi)口并與容器大小匹配,水平部分為流體通道。當(dāng)把汞和電解質(zhì)水溶液加入到容器并將T形毛細(xì)插入部分插入上部時(shí),由于毛細(xì)作用使汞進(jìn)入毛細(xì)柱,同時(shí)形成兩個(gè)同心的汞柱。兩同心的汞柱的高度取決于毛細(xì)作用力與重力的平衡。通過(guò)加電壓來(lái)激活泵,加電壓時(shí)使外面的汞柱的表面張力發(fā)生變化,汞表面的形狀發(fā)生改變而導(dǎo)致壓力變化,兩汞柱的平面將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡。當(dāng)所加的是一個(gè)梯形電壓時(shí),泵將會(huì)在“fill”和“pump”模式下循環(huán)。在“fill”模式下,毛細(xì)柱內(nèi)汞向下運(yùn)動(dòng),流體進(jìn)入T形通道;而在“pump”模式下,毛細(xì)柱內(nèi)汞向上運(yùn)動(dòng),迫使液體流出通道。電壓的頻率決定了泵循環(huán)的快慢。汞泵能提供最高40kPa的壓力和736—5189×10-3μl/min流量。由于汞微泵有一對(duì)單向閥,可以輸送任何流體,但輸出壓強(qiáng)較低。最近出現(xiàn)了基于微電極反應(yīng)的電化學(xué)泵,如圖3示意圖所示,其基本結(jié)構(gòu)為在一個(gè)盛滿水的微型儲(chǔ)液池,儲(chǔ)液池內(nèi)放置一對(duì)距離很近的電極。輸液時(shí),將該儲(chǔ)液池與充滿待驅(qū)動(dòng)液體的微通道相連接,當(dāng)在電極施加直流電場(chǎng)時(shí),由于水被電解成為氫氣和氧氣形成氣泡,這些氣泡被用來(lái)推動(dòng)微通道內(nèi)的液體流動(dòng)?；谶@一機(jī)理的電化學(xué)泵可以參閱文獻(xiàn)。

圖3電化學(xué)微泵示意圖

微型GP采用了地球的自然重力場(chǎng)作用力,不需要額外的動(dòng)力源,是微流控芯片系統(tǒng)優(yōu)先考慮的泵系統(tǒng)。然而常規(guī)重力泵由于儲(chǔ)液池的液面隨著流體的流出而逐步下降,隨之流體的驅(qū)動(dòng)壓力下降,從而導(dǎo)致流速隨著時(shí)間推移不斷變小,因此并無(wú)優(yōu)勢(shì)可言。利用水平放置的內(nèi)徑3—4mm管狀結(jié)構(gòu)(也可采用橢圓管狀內(nèi)徑等結(jié)構(gòu))儲(chǔ)液池、適當(dāng)尺寸的連接管、匹配的微流控芯片和流速調(diào)節(jié)管等可以實(shí)現(xiàn)恒流重力驅(qū)動(dòng)操作和進(jìn)樣等。這類(lèi)泵輸液時(shí)主要利用了儲(chǔ)液池和輸出通道出口之間的液面差。判斷儲(chǔ)液池內(nèi)徑的原則是:當(dāng)管狀結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)液池水平放置時(shí),所儲(chǔ)存的液體的表面張力能夠足夠支撐液體,受最少的重力作用,使之能夠穩(wěn)定在管中(圖4A)。內(nèi)徑小于2mm,往往由于過(guò)大的表面曲率阻礙液體的流出(圖4B);而內(nèi)徑大于6mm,則液體的表面張力由于受重力的作用難以支撐液體。重力泵的壓力很低,流量可控,可以驅(qū)動(dòng)任何流體,是重要的泵技術(shù)。目前重力泵的平置儲(chǔ)液池已被用來(lái)進(jìn)行流體驅(qū)動(dòng)和恒流進(jìn)樣等,取得了很好的驅(qū)動(dòng)與控制效果。

圖4實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)的重力泵平置儲(chǔ)液池

1.3組合驅(qū)動(dòng)流體技術(shù)和二維分離

組合驅(qū)動(dòng)流體技術(shù)就是指采用一種以上驅(qū)動(dòng)原理的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù),通過(guò)將我們常見(jiàn)的電、光、磁、熱等一種致動(dòng)形式或幾種致動(dòng)形式的有效組合而實(shí)現(xiàn),這些組合形式對(duì)于發(fā)展多維分離分析技術(shù)十分重要。與常規(guī)多維色譜分析相比,芯片式的多維分離分析具有更重要的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。芯片式多維分離模式就是通過(guò)將正交的兩種或多種分離機(jī)理整合到同一塊玻璃、硅片或高聚物材料的芯片上。這可以通過(guò)兩種主要技術(shù)實(shí)現(xiàn):一種是采用一種驅(qū)動(dòng)場(chǎng)(例如電場(chǎng)力)驅(qū)動(dòng)不同的(正交的或接近正交的)分離模式;其次,也可以采用一種分離模式,兩種正交的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的分離模式。后者如圖5所示,可以通過(guò)正交的驅(qū)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)混合樣品的分離分析。

在此舉例說(shuō)明一些重要的基于電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、重力和光等的組合驅(qū)動(dòng)形式及其相應(yīng)的重要微分離技術(shù)。

圖5芯片二維分離機(jī)理示意圖

電場(chǎng)力-電場(chǎng)力組合———雙向電泳技術(shù)。目前在蛋白質(zhì)組研究中應(yīng)用最多的分離技術(shù)是二維聚丙烯酰胺凝膠電泳(two-dimensionalpolyacrylamidegelelectrophoresis,2D-PAGE),它也是目前對(duì)復(fù)雜生物體系中蛋白質(zhì)組分辨率最高和重復(fù)性最好的分離技術(shù)。2D-PAGE主要依據(jù)蛋白質(zhì)的兩個(gè)正交參數(shù)———等電點(diǎn)和分子量對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分離的,第一維按蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不同在pH梯度膠中對(duì)其進(jìn)行等電聚焦(isoelectricfocusin,IEF)分離,然后第二維根據(jù)分子量大小在垂直方向或水平方向用十二烷基磺酸鈉(sodiumdodecylsulphate)-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)進(jìn)行分離,從而獲得高分辨蛋白質(zhì)二維譜圖。

重力-電場(chǎng)力———芯片流式細(xì)胞術(shù)。重力和電場(chǎng)力結(jié)合,可以方便的實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和顆粒篩選控制。Yao等在十字型微流控芯片上以重力和電場(chǎng)力兩種驅(qū)動(dòng)力相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了流式細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)。以Hela細(xì)胞(子宮頸癌細(xì)胞)作為樣本采用嵌入式染料TO-PRO-3穿透受損細(xì)胞膜對(duì)細(xì)胞內(nèi)核酸進(jìn)行標(biāo)記,以635nm激光器作為激發(fā)光源,采用激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)方法,不經(jīng)破膜實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的熒光檢測(cè),并將該方法應(yīng)用于紫外線誘導(dǎo)Hela細(xì)胞凋亡和壞死情況的微流控芯片流式細(xì)胞檢測(cè)。壓力流和電場(chǎng)力結(jié)合也具有類(lèi)似的功能。

壓力流-磁場(chǎng)力———芯片自由流磁泳(free-flowmagnetophoresis,FFM)。Pamme和Manz等在芯片上實(shí)現(xiàn)了自由流磁泳分離,并將其應(yīng)用于磁性微粒和聚集體連續(xù)分離。微芯片磁泳裝置的核心部件為一矩形中空的平板微芯片分離室,兩端均勻分布著許多液體進(jìn)口和出口通道,分離室的上方放置一塊永久磁鐵。他們利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三種不同粒徑和不同磁化率微球的連續(xù)分離。

壓力流-電場(chǎng)力———芯片自由流電泳(free-flowelectrophoresis,FFE)。與FFM相似,可以利用壓力流和電場(chǎng)力組合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)FFE,連續(xù)實(shí)現(xiàn)微量樣品的分離分析。

由以上舉出的一些簡(jiǎn)單的實(shí)例可見(jiàn),組合驅(qū)動(dòng)形式對(duì)發(fā)展二維甚至是多維的微分離技術(shù)十分有效。

2.流體的控制技術(shù)

一般地,在微流控系統(tǒng)中,通過(guò)泵實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動(dòng),通過(guò)閥控制流體,從而完成流控操作;對(duì)于機(jī)械微型(壓力)泵,通過(guò)不同激勵(lì)原理(壓電、靜電、電磁和磁、熱和氣動(dòng)等)的泵驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng),采用不同的閥控制流體的流向,這是很好理解的。但是對(duì)于無(wú)閥的連續(xù)流泵技術(shù)則主要由施加到被驅(qū)動(dòng)流體上的能量提供流體的驅(qū)動(dòng)操作,而流體流向則是通過(guò)外加能量場(chǎng)的方向進(jìn)行控制。以EKP為例,它以電場(chǎng)力(電滲流)作為流體的驅(qū)動(dòng)源,通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓(電場(chǎng))的大小和方向可以在微通道的不同部分產(chǎn)生不同的流速;同時(shí),可以控制微管道交叉口的流體流動(dòng)的方向,實(shí)現(xiàn)閥的功能,進(jìn)而完成微分析過(guò)程中的匯流、分流和進(jìn)樣,或者混合等單元操作,達(dá)到控制流體的目的。因此發(fā)展多路場(chǎng)可編程控制和穩(wěn)定輸出的智能控制系統(tǒng)十分必要。表2列舉了微流控系統(tǒng)中流體的驅(qū)動(dòng)與控制的基本情況。在此,我們將重點(diǎn)介紹微分析和微化工領(lǐng)域十分重要的微流體控制技術(shù)———混合過(guò)程。

表2微流控系統(tǒng)中流體的驅(qū)動(dòng)與控制

流體的混合就是指將兩種或多種流體快速而高效的實(shí)現(xiàn)混合,混合過(guò)程是生物、化學(xué)分析和(微)化學(xué)工程領(lǐng)域中最為常見(jiàn)也是極為重要的過(guò)程,同時(shí),混合也是流體控制的重要組成部分。為了在微系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)分析應(yīng)用和化學(xué)合成即微化工反應(yīng),要求流體的混合驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有效。由于微米與納米尺度構(gòu)件中流體的流動(dòng)一般為低雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynoldsnumbers,Re)的層流流動(dòng),一般Re<10的2次方,這和宏觀尺度湍流流動(dòng)(Re>10的2次方)明顯不同。而本文所述的多數(shù)微型泵技術(shù)的輸出流量和壓力極低,這顯然對(duì)微型(化工)反應(yīng)器件,如微混合器、微反應(yīng)器等提出了苛刻要求,也就是需要一些具有高效的混合功能的通道設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。混合就是將兩股或多股流體分別在兩個(gè)或多個(gè)通道內(nèi)流動(dòng),然后匯合在一起,實(shí)現(xiàn)流體的混合。微混合器內(nèi)的混合一般分為主動(dòng)式混合和被動(dòng)式混合:被動(dòng)式混合不需要外部能量的加入,混合過(guò)程完全通過(guò)擴(kuò)散或?qū)α魍瓿?而主動(dòng)式混合則要通過(guò)外場(chǎng),如電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)等強(qiáng)化作用實(shí)現(xiàn)。對(duì)于微結(jié)構(gòu)設(shè)備而言,被動(dòng)式微混合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需增加外場(chǎng)和方便組合等優(yōu)勢(shì),已成為微結(jié)構(gòu)混合器發(fā)展的主流。這里主要討論基于微通道被動(dòng)式微混合器的結(jié)構(gòu)和混合性能,這也是目前微系統(tǒng)中流體混合最為有效的控制技術(shù)。

最初報(bào)道的微混合器通常是具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的T型微通道和Y型微通道混合器。在T型微通道混合器中由于通道尺寸較小,流體一般為層流流動(dòng),因此流體的混合主要依靠分子擴(kuò)散。對(duì)于擴(kuò)散距離為1—100μm的微通道,流體間完全混合需要的時(shí)間在幾毫秒到幾十秒之間。近年來(lái),研究者們?cè)O(shè)計(jì)了不同尺寸和結(jié)構(gòu)的微混合器,以縮短流體間混合所需要的時(shí)間,主要方法有減小通道寬度法、多股流體的平行混合法和水力聚焦混合法等。Bessoth等設(shè)計(jì)的具有32股支流的平行層流微混合器,在該微混合器內(nèi)流體間的完全混合時(shí)間小于15ms。Jensen等研究了水力聚焦混合,通過(guò)改變剪切流體和中間流體的流速,可以將中間流體聚焦成厚度小于1μm的薄膜,流體的完全混合時(shí)間可以縮短到小于1ms。實(shí)現(xiàn)流體間的對(duì)流混合是提高流體混合性能的重要方式,主要方法有:通道內(nèi)或壁面加障礙體、彎曲和折疊通道、微通道三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壁面加凹槽或裂縫以及流體截留等,這些具有混合功能的微流控芯片通道大大改進(jìn)了微流體的混合方式。Mengeaud等設(shè)計(jì)了“之”字通道(zig-zagshapedchannel)可以適用與高雷諾準(zhǔn)數(shù)流體的混合,這種通道發(fā)展起來(lái)的鋸齒通道(alligatorshapedchannel)可以十分方便地用于生化分析。Wang等研究了在微通道中加入障礙物加強(qiáng)混合的方式,他們?cè)谖⑼ǖ乐屑尤氩煌瑪?shù)量和不同排列方式的圓柱。結(jié)果表明,在Re>100時(shí),障礙物的加入可以大大促進(jìn)流體間的混合,混合時(shí)間小于1ms,甚至達(dá)到50μs。Hong等設(shè)計(jì)了一種新型T型微通道結(jié)構(gòu),采用平行和垂直T型微通道交替的方式,在Re=50的條件下實(shí)現(xiàn)了流體間的快速混合,在Re很小的條件下可以實(shí)現(xiàn)流體的湍流,促進(jìn)流體混合。Johnson等則在寬72μm、高31μm的T型微通道的底部壁面切出寬為14μm、間距為35μm的一系列平行長(zhǎng)方形凹槽。在300μm/s的流速即在Re<10的條件下,兩股流體的完全混合時(shí)間小于1s。Stroock等在微通道的底部加工出不對(duì)稱的、相互錯(cuò)開(kāi)的人字形結(jié)構(gòu)———槽溝通道(grooveshapedchannel),這種傾斜的、不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)可以在Re<5條件下使流場(chǎng)產(chǎn)生橫向的速度分量,大大加強(qiáng)流體間的混合。近來(lái)出現(xiàn)的一種微液滴(microdroplet)混合通道設(shè)計(jì),可用于高通量生化分析,其設(shè)計(jì)思路新穎,圖6是微液滴形成過(guò)程的原理示意圖。此外還有可適用于低、中雷諾準(zhǔn)數(shù)流體混合的三維蛇形通道(threedimensionalserpentineshapedchannel)等,不再贅述。

圖6微液滴混合過(guò)程原理示意圖

基于微通道微結(jié)構(gòu)混合器的混合性能與傳統(tǒng)混合器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),完全混合時(shí)間可以在毫秒量級(jí),在小尺度和快速反應(yīng)中十分有效。近年來(lái),微系統(tǒng)中的流體通道已經(jīng)越來(lái)越多地出現(xiàn)納米通道,在nl—pl水平上控制流體特別是流體混合將具有更大挑戰(zhàn)性。通過(guò)對(duì)其基本規(guī)律的不斷深入認(rèn)識(shí),相信會(huì)有更多形式的功能微結(jié)構(gòu)混合技術(shù)出現(xiàn)。

3.結(jié)論與展望

我們選取了微系統(tǒng)領(lǐng)域幾種重要的流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)做了簡(jiǎn)單的回顧,試圖反映該領(lǐng)域的最新研究成果和現(xiàn)狀。由于學(xué)科交叉的原因,這一專(zhuān)題的評(píng)述或論文往往發(fā)表在不同類(lèi)的學(xué)術(shù)期刊,這些多學(xué)科的論述對(duì)微流控技術(shù)的研究很有啟發(fā)。方肇倫和林炳承等的專(zhuān)著更是對(duì)整個(gè)微流控技術(shù)做了全面概括。目前,微流控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到納流控時(shí)代,納流控技術(shù)要求更多更高效的流體驅(qū)動(dòng)手段。由于流動(dòng)尺度的減小,在宏觀流動(dòng)中許多被忽略的效應(yīng),例如表面效應(yīng),在微流體的流動(dòng)中往往成為流體流動(dòng)的主要控制因素,因此通過(guò)對(duì)微流體流動(dòng)特性的研究,深入理解其驅(qū)動(dòng)的機(jī)理,不僅對(duì)于發(fā)現(xiàn)新的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,而且對(duì)于已有的流體驅(qū)動(dòng)與控制方法性能的提高,都是十分重要的。需要指出,微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)除了適用于微流控(芯片)微系統(tǒng),同樣適用于生物技術(shù)(biotechnology)、微化工(microchemical engineering)、微機(jī)械分析系統(tǒng)(micromech anicalanalysis systems)、藥物輸送系統(tǒng)(drug delivery system)和集成芯片制冷系統(tǒng)(on chip-integrated cooling systems)等等。微流體的驅(qū)動(dòng)與技術(shù)作為微系統(tǒng)的“心臟”具有重要意義,任何一次高效流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)都會(huì)引起連鎖式的微系統(tǒng)技術(shù)的革命。

（文章來(lái)源: 李清嶺 陳令新《微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)》 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）