胥 飛， Md Shehadul Islam

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240；2.加拿大麥克馬斯特大學(xué) 機(jī)械工程系，加拿大 哈密爾頓 L8S4L8）

基于微流控芯片的液體電導(dǎo)測(cè)量

胥 飛1， Md Shehadul Islam2

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240；2.加拿大麥克馬斯特大學(xué) 機(jī)械工程系，加拿大 哈密爾頓 L8S4L8）

在傳統(tǒng)微流控芯片制作方法的基礎(chǔ)上，利用電化學(xué)腐蝕來(lái)制作電導(dǎo)式微流控芯片。對(duì)濃度分別為21.0%、28.1%、37.5%、50%的聚苯乙烯溶于去離子水的微粒混懸液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表明，該芯片測(cè)量與理論基本符合，芯片適用于液體溶液的阻抗測(cè)量。

微流控芯片；電導(dǎo)；光刻；二甲基硅氧烷

在電工、化工、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都需要對(duì)液體試樣的電導(dǎo)進(jìn)行測(cè)量［1－3］。通常的測(cè)量需要較大的測(cè)量裝置和試樣，而隨著微流體技術(shù)的發(fā)展，電導(dǎo)式微流控芯片為液體電導(dǎo)測(cè)量提供了新的選擇。

微流控芯片是指通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)將微細(xì)通道、微小儲(chǔ)液器、微小電極、微小驅(qū)動(dòng)器、微小光電壓力電壓等傳感器及其他功能模塊像集成電路一樣制作在一塊幾平方厘米的玻璃、硅片或聚合物上，使其具有生物或化學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元，具備完整分析功能的器件，也稱為微全分析系統(tǒng)（Micro Total Analysis System，μ－TAS）［4－6］。

電導(dǎo)式微流控芯片特指可以將待測(cè)試樣連接電導(dǎo)測(cè)量設(shè)備，控制進(jìn)樣、電導(dǎo)測(cè)量，對(duì)樣品進(jìn)行分析、分離等操作的芯片。通常，電導(dǎo)式微流控芯片在片上構(gòu)建電導(dǎo)測(cè)量所需的電極及連線、微細(xì)通道、微小儲(chǔ)液器、微小驅(qū)動(dòng)器等部件。

最早的電導(dǎo)式微流控芯片是Coulter血球計(jì)數(shù)器［5］。由于細(xì)胞對(duì)低頻電流的阻礙作用，當(dāng)細(xì)胞經(jīng)過(guò)玻璃管壁上小孔時(shí)，由恒流源驅(qū)動(dòng)的玻璃管兩側(cè)的電壓將會(huì)發(fā)生脈動(dòng)，且其變化幅度與細(xì)胞大小相關(guān)。

電導(dǎo)式微流控芯片通常是在直徑為10cm的玻璃或硅基片上，采用光刻化學(xué)腐蝕方法，刻蝕出側(cè)壁陡直的微通道、微儲(chǔ)液器；用氣相沉積方法制作出金電極和引線，再用粘貼或靜電鍵合的方法把一塊玻璃片封接到硅片上閉合微通道［4，6］。這種金屬濺射和金屬氣相沉積制作微流控芯片電極的方法耗時(shí)且成本較高，本文提出通過(guò)腐蝕的方法快速制作阻抗式微流控芯片的方法。

1 電導(dǎo)式微流控芯片的制作

本文采用的方法是在普通制作微流控芯片的基礎(chǔ)上，用電化學(xué)腐蝕制作電極，故前幾個(gè)步驟與其他方法基本相同［6－7］。具體制作步驟如圖1所示。

（1）使用AutoCAD設(shè)計(jì)掩膜圖形文件，并用高精度激光打印機(jī)打印在透明掩膜板上。電導(dǎo)式微流控芯片通常的試樣為細(xì)胞，因而根據(jù)對(duì)象設(shè)定通道寬高為10～200μm。

（2）將SU8－100（100μm厚）甩到表面光潔的硅片上再將打印好的膠片蓋上去。SU8是一種負(fù)性抗蝕劑，使用激光使其曝光，沖洗掉未曝光部分，硅片上出現(xiàn)所需主模型。

（3）將聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）聚合體預(yù)混物覆蓋在主模型上，在微儲(chǔ)液器上放置硅管以形成通道的進(jìn)出口。硅管可以穩(wěn)定牢固地與PDMS結(jié)合。將涂覆好PDMS的模具放在烘箱里在80℃下烘烤3h，取出后就可以將PDMS復(fù)制品剝離主模型，成為一個(gè)復(fù)制品。

圖1 腐蝕法制備阻抗式微流控芯片流程示意圖Fig.1 Fabrication flowchart of impedance microfluidic chip with electrochemistry corrosion method

（4）將直徑φ100μm的銅絲用注射針頭放置到垂直通道中，再將該P(yáng)DMS復(fù)制品和另一個(gè)同樣尺寸但表面光潔的PDMS片用50W等離子體氧化處理30s后粘在一起，這樣一個(gè)含有微儲(chǔ)液器、微通道和銅絲的微流控芯片初步形成。

（5）將銅絲在通道交叉處斷開(kāi)形成2個(gè)電極。

（6）在垂直通道中注入去離子水，水平通道注入1mol／L的氯化鉀（KCl）溶液。在水平進(jìn)出口的一端放置一根銅絲，將該銅絲作為陰極，垂直通道的銅絲作為陽(yáng)極，施加2V直流電源。期間用注射泵保持KCl溶液和去離子水的流動(dòng)。在電化學(xué)反應(yīng)作用下，垂直通道中浸在KCl溶液里的一段銅絲逐漸溶解，并最終斷開(kāi)。最后移去水平通道入口的銅絲，并用鹽酸（HCl）溶液清洗通道，以去除電極和通道中的氯化銅（CuCl2）。

2 電導(dǎo)測(cè)量應(yīng)用

2.1 混合物電導(dǎo)理論

液體的電導(dǎo)與液體的構(gòu)成相關(guān)。如果是純凈物，電導(dǎo)自然由電導(dǎo)率決定；而對(duì)于由多種成分組成的液體混合物，則根據(jù)Maxwell混合物電導(dǎo)率方程，電導(dǎo)率由其組份決定［8－11］：

式中，k為溶液的等效復(fù)合電阻率和復(fù)合介電常數(shù)；k1為溶液內(nèi)懸浮分散相介質(zhì)的電阻率；k2為懸浮媒質(zhì)的電阻率；p為容積率，以球形介質(zhì)為例，p＝na31／a32，其中n為內(nèi)部分散相介質(zhì)的數(shù)目，a1為其直徑，a2為外部介質(zhì)的直徑。

2.2 測(cè)量試驗(yàn)

將自制的聚苯乙烯微粒懸浮在去離子水中形成50%的混懸液；再用注射器將該混懸液依次稀釋0.75倍，則有37.5%、28.1%、21.0%、50%的混懸液備用。

實(shí)驗(yàn)前，按上文的制作方法制備電導(dǎo)式微流控芯片，并用0.1mol／L的稀鹽酸清洗液體通道，以去除銅電極表面的氧化，增強(qiáng)接觸導(dǎo)電性能。再用去離子水沖洗3次，防止鹽酸中的氫離子（H＋）和氯離子（Cl－）影響試樣的導(dǎo)電性能［12］。

實(shí)驗(yàn)的電導(dǎo)測(cè)量采用通用的阻抗分析儀，但為應(yīng)對(duì)高通量多頻率測(cè)量需要，使用新開(kāi)發(fā)的電導(dǎo)測(cè)量方法和設(shè)備［13－15］。將微流控芯片的電極插入16047D阻抗分析測(cè)試夾具接口，再將夾具連接到Agilent4294A阻抗分析儀的測(cè)試連接端口，執(zhí)行阻抗分析儀的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)程序，以對(duì)當(dāng)前測(cè)試連接線的阻抗進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)后的連接導(dǎo)線應(yīng)避免觸碰，否則需重新校準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為不同濃度時(shí)，聚苯乙烯混懸液及去離子水在0.01～50MHz頻率范圍內(nèi)的電導(dǎo)特性。由圖中可看出，混懸液的電導(dǎo)率在低于10MHz頻率下基本不變。這是因?yàn)橐后w中導(dǎo)電離子非常少。當(dāng)頻率超過(guò)10MHz時(shí)電導(dǎo)變化較大，這可能是因?yàn)榧?xì)導(dǎo)線的感性成分在高頻下較大感抗引起的。不同濃度的電導(dǎo)譜線拉開(kāi)，顯示了濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響。

圖2 不同濃度混懸液及去離子水電導(dǎo)頻譜圖Fig.2 Conductance spectrum of different polystyrene beads density solution and deioned water

圖3 溶液電導(dǎo)與濃度的關(guān)系曲線Fig.3 Solution conductance vs.polystyrene beads density

如圖3所示為混懸液電導(dǎo)率譜線隨濃度變化的曲線。去離子水的電導(dǎo)率只有約1μS／cm，而聚苯乙烯的電導(dǎo)率達(dá)到0.1S／cm。因此，盡管聚苯乙烯濃度較低，仍然對(duì)混懸液的電導(dǎo)率有顯著影響。根據(jù)式（1），懸浮媒質(zhì)去離子水的電阻率k2＝10MΩ·cm，懸浮分散相聚苯乙烯的電阻率為k1＝10Ω·cm，則有

式中，電導(dǎo)率σ＝1／k。

以1.09kHz下的測(cè)量數(shù)據(jù)為參考，測(cè)得去離子水的電導(dǎo)為42.9nS，則該阻抗微流控芯片的測(cè)量池常數(shù)為42.9mm。電導(dǎo)K與聚苯乙烯濃度的關(guān)系為

如圖3所示，σ隨濃度的變化曲線與理論計(jì)算曲線相近，且隨頻率變化較小為以0.1μS為單位的電導(dǎo)值；x為混懸液中的聚苯乙烯濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)電腐蝕法制作了電導(dǎo)式微流控芯片，具有快速簡(jiǎn)便易用的特點(diǎn)。

利用該芯片對(duì)聚苯乙烯微?；鞈乙旱碾妼?dǎo)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，該芯片能有效測(cè)量液體電導(dǎo)，獲得與理論基本相符的結(jié)果。這說(shuō)明使用該電導(dǎo)式微流控芯片測(cè)量微小體積液體電導(dǎo)是有效的，可用于對(duì)均質(zhì)混懸液的電導(dǎo)分析。

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Measurement of Solution Impedance with Micro－Fluidic Chip

XU Fei1， Md Shehadul Islam2
（1.School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.Department of Mechanical Engineering，McMaster University，Hamilton L8S4L8，Canada）

A conductance micro－fluidic chip was fabricated by electrochemistry corrosion.Based on the traditional fabrication method of micro－fluidic chip，thin brass wire is etched and broken into two electrodes for impedance measurement.Conductance of polystyrene beads solutions with densities of 21.0%，28.1%，37.5%and 50%are measured with the micro－fluidic chip.The measured results conform to the theory，showing effectiveness of the chip in liquid conductance measurement.

micro－fluidic chip；conductance；lithographic；polydimethylsiloxane（PDMS）

TM 934

A

2095－0020（2012）01－0018－04

2011－12－07

上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助（J51901）

胥 飛（1978－），男，副教授，博士，專業(yè)方向?yàn)殡姎夤こ蹋珽－mail：xuf＠sdju.edu.cn