鄭敏捷，謝　洋，趙啟焱，尤　暉

(1.中國科學院 合肥智能機械研究所，安徽 合肥　230031; 2.中國科學技術大學，安微 合肥　230026)

0　引　言

微陣列芯片是指采用微量點樣法或光導原位合成法，將大量生物大分子有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子反應，通過激光共聚焦掃描儀或電荷偶聯(lián)攝影像機對反應信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量[1-3]。其中微點樣法具有廉價、易操作，設備要求低等特點，已經(jīng)在市場上得到了較為廣泛的應用。微點樣法可以分為接觸式點樣和非接觸式點樣。

接觸式點樣是使用實心的或者空心的微針蘸取樣品試劑，然后采用接觸點樣的方法和微陣列芯片表面接觸，形成微液滴陣列。該方法操作簡單，能夠形成高密度微滴陣列，且液滴位置均勻性好[4]。但是這種點樣方式每次蘸取的生物試劑體積較小，點樣時需要不停重復蘸取試劑，從而導致點樣效率低下。此外初期點樣的液滴體積比較大，后期點樣的液滴體積會越來越小，結果是液滴的體積均勻性往往比較差。并且進行不同樣品的點樣時需要清洗點樣針，清洗不徹底會導致試劑混染。非接觸式點樣的原理則類似于噴墨打印機，即利用振動裝置將容器或者管道內試劑從微孔中噴發(fā)出來，在微陣列芯片表面形成微液滴陣列。非接觸式點樣具有液滴均勻性好，點樣效率高等特點，并且避免了接觸式點樣中存在的試劑交叉污染問題。從振動裝置的類型來分，可以分為壓電式[5]、氣壓式[6]、沖擊式[7]、和電磁式[8]等。

但是非接觸式點樣儀的噴頭一般需要采用微加工工藝制得，其成本較高。目前，非接觸式點樣的噴頭多數(shù)需要輔助設備來實現(xiàn)液滴的分發(fā)，這樣就造成單個噴頭體積大，難以集成化形成高密度陣列，從而影響點樣效率。此外，非接觸式點樣噴頭一般是不可拆卸式的，如果噴頭堵塞，清洗較麻煩。并且一個噴頭只能用于一種試劑，這極大的限制了噴頭的通用性。

基于上述缺陷，研發(fā)了一種非接觸式的新型組合式點樣微噴系統(tǒng)，避免了接觸式點樣針易于交叉污染的問題。該微噴系統(tǒng)采用了數(shù)控加工方式制得，相對于微加工方法，成本低廉，易于大規(guī)模生產。并且組合式的微噴結構使得噴頭及管道易于清洗，避免了傳統(tǒng)非接觸式點樣噴頭易于堵塞的問題。此外，該微噴系統(tǒng)管道尺寸較小，易于集成化，增加了點樣效率。

1　組合式點樣噴頭結構設計與制造

如圖1(a)所示，微噴點樣系統(tǒng)由上蓋板、硅膠密封層和管道層組成。上蓋板和管道層擠壓硅膠密封層從而形成密封管道。樣品試劑由進樣管進入管道，由于毛細管力的作用流至微噴口處。當需要噴發(fā)液滴時由外部電磁繼電器沖擊沖針，沖針繼而擠壓硅膠密封層，在微噴口上方產生振動，從而使得微液滴從噴口處噴出。

噴頭的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，該材料具有高透明,價格低廉,容易加工等特點。PMMA是無毒環(huán)保的材料，具有很好的生物兼容性。強度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～8倍?？估瓘姸?0～70 N/mm2，耐壓強度120～140 N/mm2，耐沖擊性比聚苯乙烯好。此外它還有不易破碎的特點[9-10]。

圖1　點樣微噴系統(tǒng)原理圖及實物圖　　　1.進樣口　2.上蓋板　3.管道　4.管道層　5.沖針　6.硅膠密封層　7.微噴口

點樣噴頭的微噴孔直徑一般在300 μm以下。按照目前市場比較常見的鉆頭尺寸，一般精密數(shù)控加工最小可以加工成型50 μm的微噴孔。而利用離子束加工成型的銑刀最小可以做到22 μm,已經(jīng)達到MEMS尺度。但是由于需要特種高精度機床，而加工刀具需要定制，成本較高，這里不做探討研究。噴頭的加工由于采用高精密數(shù)控加工，方便快捷，精度較高，成本較低。但需要大規(guī)模市場化應用時，可以采用注塑或者熱壓成型方式，可以進一步壓縮成本。具有很高的市場應用性。加工成型后的陣列點樣噴頭部件如圖1(b)所示(從左往右依次為上蓋板、硅膠密封層、管道層和沖針)。

1.1　微噴系統(tǒng)管道設計

1.1.1管道內不同間距的流速理論及模型

毛細現(xiàn)象是大自然中比較常見的一種現(xiàn)象。毛細作用在微小尺寸的管道內對于流體的作用尤其明顯。在一定尺寸范圍內毛細力的大小滿足：

F=σL

式中：σ為液體表面張力系數(shù)，N/m；L為液固接觸線長，m[11]。

如圖3所示，將可拆卸式點樣噴頭的硅膠密封層和管道層簡化成兩塊板之間流過的液體，流場為垂直于紙面由里朝外。取間距為分別為H1、H2、H3，上下長度均為L/2的垂直區(qū)段，則各段所受的毛細力均為F=σL。則影響微管道內的流體加速度及速度的因素為兩塊夾板間距間的單位質量，并最終反映到間距H。但是實際微管道內流場的復雜程度遠遠大于此簡化模型。

圖2　管道簡化模型

1.1.2變間距的理論模型驗證

如圖3(a)所示，由兩塊PMMA一邊墊高H，從而形成從左往右不斷減小的間距。設置L為固定值80 mm,H取為1 mm,實驗結果如圖3(b)所示?？梢悦黠@觀測到夾板的間距越小，液體擴張速度越快。

圖3　變間距模型及實驗

1.1.3毛細管進樣中可能產生的問題

如圖4(a)所示，由于微噴孔尺寸較小，依靠毛細力進樣時容易堵塞微噴孔導致部分氣體不能排出。而一般情況下液體可以看成不可壓縮，而氣體是可以壓縮的。這就導致沖針的振動會被遺留在管道內的氣體吸收緩沖，從而影響微液滴的噴發(fā)。如何解決管道內的氣泡遺留就是一個非常關鍵的問題。

1.1.4毛細管管道設計

毛細管的管道在微噴孔處采用階梯式結構如圖4(b)。由于在管道邊緣處，除了上下夾板的液固接觸線，還有側壁的液固接觸線。這就導致邊緣處受到的毛細力比中間的大。就如同毛細玻璃管插入水中，液面邊緣形成凸起一樣。而管道內中間的階梯部分由于間距較大，所以受力較小，進樣速度小于邊緣處。這樣進樣過程中就不容易產生氣泡。而最終加工管道及噴孔如圖4(c)、(d)。

圖4　微噴管道進樣過程及最終成品

1.2　噴口的疏水性處理

經(jīng)接觸角測量儀測量PMMA的接觸角在68°左右如圖5(a)所示，屬于親水性材料。所以在微噴口附近容易集聚水滴如圖5(b)所示，從而影響液滴的噴發(fā)。采用疏水化處理后的PMMA接觸角為100°如圖5(c)，達到了疏水效果。

圖5　PMMA接觸角及集聚水滴現(xiàn)象

1.3　硅膠薄膜層厚度對系統(tǒng)的影響

對于文中研制的組合式點樣噴頭，硅膠薄膜既是密封層又是振動層。硅膠層的厚薄影響到部件的密封以及液滴的噴發(fā)。硅膠薄膜過薄會影響到組合式噴頭的密封。而硅膠薄膜過厚，則會產生減振效果，從而阻礙液滴噴發(fā)效果。綜合實驗比較，最終選擇厚度為0.6 mm的硅膠薄膜。

2　實驗結果及討論

微噴系統(tǒng)的點樣激發(fā)裝置采用DC-24 V分合閘電磁鐵。由LM1819C直流穩(wěn)壓電源供電。點樣測試采用由承德鼎盛公司生產的JY-82C接觸角測量儀來觀察液滴大小及接觸角，然后換算成體積進行比較。

2.1　驅動電壓對液滴大小的影響

電磁鐵對沖針的沖擊力隨著驅動電壓的變化而改變，電壓越大電磁鐵的響應越大，而沖針受到的沖擊力的大小與生成的液滴大小有著密切的關系。測試實驗采用的微噴噴頭的孔徑為0.2 mm。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當驅動電壓小于2.0 V時，電磁鐵的沖擊頭無法觸及沖針；當驅動電壓小于 5.0 V時，電磁鐵無法可靠的擊打出微液滴;而當驅動電壓大于12 V時，液滴破碎嚴重，衛(wèi)星滴較多；當驅動電壓在5～12 V時，該微噴系統(tǒng)可以可靠的噴發(fā)微液滴。

如圖6所示是在不同的驅動電壓下微噴系統(tǒng)噴發(fā)的液滴的形貌?？梢钥闯觯S著電壓的增大液滴的尺寸逐漸增加。其中當驅動電壓為5 V時，得到的最小微液滴為15 nL。如圖7是微液滴體積與驅動電壓的關系圖?？梢钥闯?，驅動電壓與液體體積呈現(xiàn)出線性增加的關系。

圖6　不同驅動電壓生成的液滴大小對比

圖7　電壓大小與液滴大小關系

2.2　噴孔大小對液滴大小的影響

噴孔的大小對液滴的大小有直接的影響。微液滴的噴發(fā)需要達到一定的閥值電壓后，才能穩(wěn)定的噴出。表1為各直徑噴孔在閥值驅動電壓驅動下噴發(fā)的微液滴的大小?？梢钥闯鰢娍椎闹睆街苯佑绊懙揭旱误w積的下限以及驅動電壓的閥值。噴孔的直徑越小，微液滴體積的下限和閥值驅動電壓也越小。

表1　閥值電壓下各噴孔對應的液滴噴發(fā)體積

2.3　噴孔大小對液滴均勻性的影響

噴孔的大小對液滴的均勻性有著顯著的影響。而各種直徑噴孔的最小噴發(fā)液滴體積是一個非常重要的數(shù)據(jù)，直接影響了微陣列芯片的密度。

如圖8所示為閥值電壓下的各種直徑噴孔的噴發(fā)液滴均勻性比較?？梢杂^察到隨著噴孔直徑的增加，噴發(fā)微液滴的下限體積增加，并且噴發(fā)的微液滴體積波動增加。

圖8　閥值電壓下液滴均勻性比較

圖9為額定電壓為6 V時液滴的均勻性分布圖?？梢杂^察到隨著噴孔直徑的增加，噴發(fā)的微液滴的體積增加，并且微液滴體積波動增加。

圖9　額定電壓為6 V時液滴均勻性比較

由表2可知，無論是在閥值電壓下還是額定的6 V電壓下，噴口直徑越大微液滴方差越大，但是變異系數(shù)(CV值)的變化卻不明顯。這說明了隨著噴孔直徑的增加，液滴體積的波動增加，但是仍舊小于直徑增加的變化率。

表2　額定電壓為6 V不同直徑噴孔液滴均勻性比較

3　結　論

介紹的非接觸式微陣列芯片點樣儀微噴系統(tǒng)的設計采用可拆卸式。相較于傳統(tǒng)的針式有液滴均勻不易交叉感染的特點。而相較于一般的不可拆卸的非接觸式微噴頭具有易于清洗，堵塞噴孔易處理的特點。采用精密數(shù)控加工的方法極大的降低了微噴頭的生產成本及時間成本。此外，由于管道尺寸較小，可以采用集成式的結構進一步增加點樣效率。經(jīng)過測試液滴大小達到納升數(shù)量級，可以滿足點樣需求。在設計及加工方法具有極高可行性。未來將具有極大的市場前景。