楊大勇，劉 瑩

(1.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌330031;2.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031)

0 引言

電滲流(electroosmotic flow，EOF)是指微通道內(nèi)帶電表面在外加垂直電場(chǎng)作用下，液相相對(duì)于靜止不動(dòng)的帶電表面運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象［1］。由于EOF具有操作與控制方式簡(jiǎn)單、流型呈扁平狀可降低和消除液體驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的分散效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是微流控芯片分析系統(tǒng)中研究和使用最廣的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)［2，3］。為了提高微流控芯片的分析精度，需要精確地控制芯片中樣品溶液的體積，因而，需要對(duì)EOF速度進(jìn)行分析和測(cè)量。

目前，測(cè)定EOF速度的方法主要有稱重法［4］、中性標(biāo)記法［5，6］、電流監(jiān)測(cè)法［7，8］、樣品區(qū)帶法［9］和流動(dòng)電勢(shì)法［10］等。稱重法由于誤差較大，一般不用;中性標(biāo)記法采用微小的示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)推斷液流速度，該方法直觀，但要考慮到布朗運(yùn)動(dòng)的影響、粒子間的親和力以及粒子和通道壁的作用力，操作復(fù)雜;電流監(jiān)測(cè)法原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作方便，是EOF測(cè)定中最常用的一種方法［11］;其他方法實(shí)驗(yàn)條件要求均相對(duì)較高，一般實(shí)驗(yàn)室條件難以實(shí)現(xiàn)［4］。

虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)、通信及測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步成為數(shù)字測(cè)試儀器的主流［12］。本文介紹的微通道EOF檢測(cè)系統(tǒng)即基于電流監(jiān)測(cè)法(current-monitoring method)原理，采用虛擬儀器技術(shù)將微通道內(nèi)的電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡等硬件直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，完成EOF的測(cè)量。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 電流監(jiān)測(cè)法原理

當(dāng)微通道內(nèi)充滿一種濃度的電解質(zhì)溶液時(shí)，其電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，在外加一定電場(chǎng)的情況下，電解質(zhì)溶液會(huì)在微通道內(nèi)部形成定向EOF流動(dòng)，但是微通道內(nèi)部的電流保持不變。此時(shí)，在微通道一端注入另外一種濃度的電解質(zhì)溶液置換前一種溶液，由于溶液電導(dǎo)率的變化，使得通道內(nèi)部的電流逐漸發(fā)生變化。當(dāng)后一種溶液完全替代前一種溶液時(shí)，電流重新保持不變。通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄在此期間電流變化所需要的時(shí)間，即可根據(jù)微通道的長(zhǎng)度計(jì)算出微通道內(nèi)部EOF的平均速度。

1.2 硬件組成

由于微通道尺度較小，通道內(nèi)部溶液的電流大小一般在微安量級(jí)，為了得到較為準(zhǔn)確的電流變化過(guò)程，本文在通道外部串聯(lián)精密電阻器，通過(guò)記錄電阻器兩端的電壓變化過(guò)程，即可監(jiān)測(cè)出微通道內(nèi)溶液的流動(dòng)過(guò)程。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分由電源回路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，如圖1所示，圖中，R1和R2分別為微通道兩端的緩沖液池和廢液池，R為精密電阻器。

圖1 電流監(jiān)測(cè)法測(cè)量EOF示意圖Fig 1 Schematic diagram of EOF measurement using the current-monitoring method

電源回路系統(tǒng)主要包括微通道芯片、直流高壓電源、鉑絲電極、電極槽、導(dǎo)線和電解質(zhì)溶液等。微通道芯片由大連理工大學(xué)微系統(tǒng)研究中心制作完成，芯片材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，微通道截面形狀呈梯形，微通道長(zhǎng)為40 mm，截面深為40.9μm，上寬79.9μm，下寬65.4μm。高壓直流電源 DW—QP502—1ACE5，輸出電壓 0～5 000 VDC 連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大1 mA，可以同時(shí)完成4個(gè)回路的驅(qū)動(dòng)與控制，并且每個(gè)回路均單獨(dú)可控;鉑絲電極直徑1 mm，長(zhǎng)10 cm;微通道兩端的緩沖液池和廢液池用一次性注射器塑料針管制成，導(dǎo)線是電源廠商配備的專用耐高壓導(dǎo)線，中間不帶任何接頭，與鉑絲電極連接處用錫絲焊牢。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于LabVIEW軟件的虛擬儀器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，使用前首先通過(guò)編寫驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的接口通道，然后，在LabVIEW軟件中編寫數(shù)據(jù)采集和保存程序。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本文的EOF檢測(cè)系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)采集、顯示、保存及采樣周期的設(shè)置等，其工作流程圖如圖2所示，采用LabVIEW軟件開發(fā)人—機(jī)界面。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)需要，配制不同濃度的NaCl電解質(zhì)溶液。在緩沖液池 R1，廢液池 R2和微通道中充滿一定濃度如10 mmol/L的NaCl溶液，待回路電流穩(wěn)定后，用絕緣微量注射器將 R1，池緩沖液換為高離子強(qiáng)度 NaCl溶液(20 mmol/L)，微通道電流逐漸變大，直至高離子強(qiáng)度緩沖液完全充滿整個(gè)微通道，電流再次保持穩(wěn)定，這一電流達(dá)到平穩(wěn)期所需要的時(shí)間即是20 mmol/L NaCl溶液在分離通道電滲所用時(shí)間(即電流上升時(shí)間);再將R1池中的高離子強(qiáng)度緩沖液換為低離子強(qiáng)度10 mmol/L的NaCl溶液，繼續(xù)記錄電流—時(shí)間曲線，得到10 mmol/L的NaCl溶液在EOF驅(qū)動(dòng)下由R1池開始充滿整個(gè)微通道所需的時(shí)間(即電流下降時(shí)間);如此重復(fù)3次，分別求出電流上升和下降時(shí)間的平均值為高濃度和低濃度溶液的電滲遷移時(shí)間t，按式(1)，式(2)分別計(jì)算不同濃度溶液的EOF速度和淌度為

圖2 程序流程圖Fig 2 Flow chart of program

式中 uEOF為電滲流EOF速度，mm/s;L為微通道長(zhǎng)度，cm;t為電滲遷移時(shí)間，s;μEOF為電滲流EOF淌度，cm2/(V·s);E為微通道電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm;Φ為通道兩端外加電壓，V。

根據(jù)以上方法，依次測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度分別為200，300，400，500，600，700 V/cm 等不同條件時(shí)，微通道內(nèi)溶液的流動(dòng)過(guò)程，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 微通道芯片EOF測(cè)量數(shù)據(jù)Fig 3 EOF measurement data on microfluidic chip

圖3所示為10 mmol/L濃度NaCl溶液置換1 mmol/L濃度溶液的變化過(guò)程，圖3(a)中電場(chǎng)強(qiáng)度E=200 V/cm，電壓變化時(shí)間t=35 s;圖3(b)中E=300 V/cm，t=24 s。根據(jù)全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1，容易得出微通道芯片EOF速度—電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 微通道EOF速度—電場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig 4 Curve of velocity-electrical field strength in microchannel of EOF

由圖4可以看出:當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，EOF過(guò)渡曲線較為陡峭，所需時(shí)間較短。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，EOF速度與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，速度成比例增大;另外，EOF淌度與外加電場(chǎng)強(qiáng)度基本無(wú)關(guān)，見(jiàn)表1。表明表面zeta電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，僅是當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，zeta電勢(shì)會(huì)稍微增大。該結(jié)果與文獻(xiàn)［7］的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足微通道內(nèi)EOF檢測(cè)的需求。

表1 光滑表面芯片EOF電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)Tab 1 Data of electrical field strength of EOF on smooth surface microfluidic chips

3 結(jié)論

基于電流監(jiān)測(cè)法原理，采用虛擬儀器技術(shù)將微通道內(nèi)的電流變化信號(hào)通過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡等硬件將其直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)完成了基于虛擬儀器的微通道EOF檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)微通道芯片EOF的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，證明了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

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