唐文來(lái) 樊寧 李宗安 項(xiàng)楠 楊繼全

摘?要?提出了一種基于3D打印犧牲陽(yáng)模的異型截面微流道便攜加工方法，以探究流道截面對(duì)微粒慣性聚焦行為的調(diào)控作用。利用皮秒激光切割技術(shù)加工任意形狀的噴嘴微孔，借助桌面級(jí)FDM打印機(jī)可方便地制造出所需的異型截面流道陽(yáng)模。結(jié)合通用的PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和陽(yáng)模溶解技術(shù)，可在無(wú)需鍵合密封工藝的情況下獲得完整的PDMS微流控芯片。為驗(yàn)證本方法的有效性，設(shè)計(jì)并成功加工出具有方形、半橢圓形和三角形截面的微流道，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)控制打印材料的擠出量靈活調(diào)整加工流道截面的尺寸。最后，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)， 研究微粒在半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的慣性聚焦行為，以探究異型截面在微粒慣性操控方面的影響機(jī)制。結(jié)果表明，隨著流體流量的逐漸增加，在半橢圓形和三角形流道內(nèi)的微粒將逐漸橫向遷移運(yùn)動(dòng)至靠近流道截面邊長(zhǎng)的中心附近，最終形成3個(gè)穩(wěn)定的平衡位置。

關(guān)鍵詞?微流控; 3D打印; 微粒操控; 慣性聚焦; 微加工

1?引 言

通過(guò)構(gòu)建微米級(jí)的流道網(wǎng)絡(luò)，微流控技術(shù)將生命科學(xué)研究中所涉及的采樣、預(yù)處理和分析表征等實(shí)驗(yàn)過(guò)程集成在一塊幾平方厘米的芯片上[1，2]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控芯片具有樣品消耗低、處理時(shí)間短和檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)新一代現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)（Point-of-care testing， POCT）儀器的研究熱點(diǎn)和主流技術(shù)[3]。作為核心功能單元，樣品中檢測(cè)對(duì)象（微納米生物粒子）的聚焦、分離和捕獲等操控，將直接影響預(yù)處理的效果與表征結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而影響整個(gè)POCT儀器的功能實(shí)現(xiàn)和性能指標(biāo)。為此，研究人員通過(guò)引入光[4]、電[5]、聲[6]、磁[7]等外場(chǎng)作用，或利用特殊微結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的微流體效應(yīng)[8]，開(kāi)發(fā)出多種不同功能應(yīng)用的片上操控技術(shù)。其中，慣性微流控技術(shù)巧妙利用微尺度流體的慣性效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的Dean渦流作用，實(shí)現(xiàn)微粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和平衡位置的精確控制，具有所需流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需借助外場(chǎng)及處理通量高等顯著優(yōu)勢(shì)，在微型化POCT儀器中具有良好的應(yīng)用前景[9]。

自2007年由哈佛大學(xué)Toner等[10]首次提出慣性微流控技術(shù)以來(lái)，其在流道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)新和功能應(yīng)用拓展方面得到了飛速發(fā)展。然而，受限于經(jīng)典軟光刻技術(shù)的垂直曝光工藝，現(xiàn)階段慣性微流控技術(shù)的研究仍主要集中于常規(guī)的矩形截面微流道。慣性操控的機(jī)理研究成果表明，微流道的截面形狀直接影響微粒慣性聚焦平衡位置的數(shù)量和具體坐標(biāo)[11]。為此，研究人員近年嘗試將一些特殊的流道陽(yáng)模加工方法與常規(guī)的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）倒模復(fù)制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，制造出具有三角形[12]、半圓形[13]和梯形[14]等異型截面的微流道，以拓展流道截面形狀對(duì)微粒慣性操控影響機(jī)制的理解。然而，現(xiàn)有的這些加工方法僅能用于制作特定截面形狀的微流道，并且存在加工工藝復(fù)雜等共同缺陷。另外，復(fù)制陽(yáng)模得到PDMS微流道后仍需與玻璃基底進(jìn)行鍵合密封，不易實(shí)現(xiàn)微流控芯片與微機(jī)械、微電子和微傳感器等其它功能單元的集成。

近年來(lái)，可任意形狀成型的3D打印技術(shù)迅速崛起，為微流道及微流控芯片的加工提供了一種全新的思路[15]。研究人員采用3D打印技術(shù)直接制作微流控芯片[16～18]，或打印可供PDMS倒模的流道陽(yáng)模[19，20]。與傳統(tǒng)的微流控芯片加工方法相比，3D打印技術(shù)有效簡(jiǎn)化了加工流程， 并顯著降低了技術(shù)門檻和加工成本。然而，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在微流控芯片加工中的應(yīng)用主要集中在復(fù)雜空間流道結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，而對(duì)于異型截面流道的3D打印制造仍鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究提出一種基于3D打印犧牲陽(yáng)模的異型截面微流道便捷加工方法。利用皮秒激光切割技術(shù)加工任意形狀的噴嘴微孔，采用桌面級(jí)的FDM打印機(jī)即可方便地打印出具有各種異型截面的丙烯晴一丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene Styrene， ABS） 流道陽(yáng)模，結(jié)合常規(guī)的PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和ABS溶解技術(shù)，能夠方便地獲得無(wú)需鍵合、易于嵌入功能器件的PDMS微流控芯片。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

QS-PICOUV皮秒激光器（江陰德力激光設(shè)備有限公司）; YF-FW300連續(xù)光纖激光焊接機(jī)（蘇州盈飛激光技術(shù)有限公司）; HOFI X1 FDM打印機(jī)（南京寶巖自動(dòng)化有限公司）; KDS270精密注射泵（美國(guó)KD Scientific公司）; IX71倒置熒光顯微鏡（日本Olympus公司）; EXi Blue CCD相機(jī)（美國(guó)Qimaging公司）。

聚二甲基硅氧烷（PDMS，美國(guó)Dow Corning公司）; 聚苯乙烯微粒（直徑為15 μm，上海輝質(zhì)生物科技有限公司）; 磷酸鹽緩沖液（PBS）、吐溫20 （美國(guó)Sigma Aldrich公司）。

2.2?實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1?ABS流道陽(yáng)模打印?為實(shí)現(xiàn)具有異型截面的流道陽(yáng)模打印，在擠出噴嘴的頂端加工出不同形狀的微孔，對(duì)常規(guī)的桌面級(jí)FDM打印系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示。流道陽(yáng)模打印時(shí)，選用直徑為1.75 mm的ABS圓截面絲材作為原材料，將噴嘴加熱至230℃后擠出成型，形成流道陽(yáng)模。在ABS擠出的整個(gè)過(guò)程中，將打印陽(yáng)模的末端固定在打印平臺(tái)上，通過(guò)匹配ABS擠出量與打印平臺(tái)向下移動(dòng)的距離，控制ABS擠出的速度低于打印平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)的速度，從而保證打印流道陽(yáng)模的直線度。為克服現(xiàn)有FDM噴嘴圓形微孔只能擠出圓截面絲材的缺陷，提出一種基于皮秒激光切割技術(shù)的噴嘴微孔形狀定制加工方法（如圖1B所示）。首先，車削去除標(biāo)準(zhǔn)303不銹鋼噴嘴的尖端，露出直徑為4 mm的圓形平臺(tái)。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)的流道截面（具體形狀和尺寸參見(jiàn)3.1節(jié)），利用皮秒激光器在100 μm厚的304不銹鋼薄片上打孔，并以微孔為中心將不銹鋼薄片切割成直徑為4 mm的圓片。將304不銹鋼圓片和303不銹鋼噴嘴放入丙酮中超聲清洗10 min，取出吹干后，將兩者對(duì)準(zhǔn)，利用連續(xù)光纖激光焊接機(jī)沿圓片四周進(jìn)行焊接密封，最終獲得的改進(jìn)噴嘴實(shí)物如圖1C所示。在上述噴嘴制造過(guò)程中，利用皮秒激光切割技術(shù)可根據(jù)需求靈活地加工出不同形狀和尺寸的微孔。將改進(jìn)噴嘴安裝到FDM打印機(jī)上進(jìn)行ABS擠出時(shí)，噴嘴上微孔的輪廓限制了熔融ABS材料的橫向流動(dòng)，從而將設(shè)計(jì)的流道截面形狀轉(zhuǎn)移至擠出的ABS流道陽(yáng)模截面上。

2.2.2?PDMS微流控芯片加工

打印獲得微流道的ABS陽(yáng)模后，結(jié)合經(jīng)典的PDMS澆注技術(shù)和ABS溶解技術(shù)實(shí)現(xiàn)PDMS微流控芯片的加工，如圖2所示。首先，將PDMS預(yù)聚體和固化劑以質(zhì)量比10∶1進(jìn)行均勻混合，抽真空脫氣后備用。將部分PDMS混合液轉(zhuǎn)移至4英寸培養(yǎng)皿內(nèi)，在80℃烘箱中保持1 h后固化形成5 mm厚的PDMS基底。將打印好的ABS流道陽(yáng)模水平固定于PDMS基底的上表面，澆注更多的PDMS混合液，并在80℃烘箱中繼續(xù)保持1 h，在ABS陽(yáng)模的上方固化形成另一層5 mm厚的PDMS。將固化后的PDMS從培養(yǎng)皿中取出，在四周沿距離流道陽(yáng)模5 mm處進(jìn)行切片，并利用打孔器在ABS流道陽(yáng)模的兩端加工通孔。將獲得的PDMS塊浸入丙酮溶液，進(jìn)行多次超聲清洗來(lái)溶解嵌在PDMS內(nèi)部的ABS流道陽(yáng)模。采用去離子水超聲清洗并吹干后，在PDMS塊通孔的一側(cè)注入少量PDMS混合液并固化密封，得到完全由PDMS構(gòu)成的微流控芯片。為了能夠從側(cè)面觀察微流道內(nèi)的微粒運(yùn)動(dòng)情況，在芯片的側(cè)向切面上涂覆少量PDMS混合液并將切面貼合載玻片進(jìn)行固化，用于消除切面上的劃痕以提高微流控芯片的側(cè)向光學(xué)成像性能。由于微米尺度的ABS陽(yáng)模溶解耗時(shí)較長(zhǎng)（約4 h），并且在微流控芯片的加工過(guò)程中需進(jìn)行多次PDMS固化處理，造成微流控芯片的整個(gè)加工周期長(zhǎng)達(dá)8 h，可采用批量加工的方式縮短單個(gè)芯片的加工時(shí)間。

2.2.3?微粒慣性聚焦實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建?為了驗(yàn)證流道截面形狀對(duì)微粒慣性聚焦行為的調(diào)控作用，搭建了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)對(duì)微粒在微流道內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行表征。將微流控芯片的入口和出口分別通過(guò)PTFE導(dǎo)管與裝有微粒懸浮液的注射器和廢液管連接，并將注射器裝載在精密注射泵上用于穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)微粒懸浮液。將微流控芯片水平或垂直固定于倒置熒光顯微鏡的載物臺(tái)上，分別用于觀測(cè)微流道內(nèi)微粒在正向和側(cè)向上的運(yùn)動(dòng)。利用10倍物鏡和熒光觀測(cè)模塊，結(jié)合14位高速CCD相機(jī)及配套軟件，對(duì)微粒在微流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行明場(chǎng)和熒光觀測(cè)，并將微粒的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)為圖像序列。隨后，利用開(kāi)源軟件ImageJ對(duì)獲得的微粒運(yùn)動(dòng)圖像序列進(jìn)行處理，定量分析微粒在異型截面微流道內(nèi)的慣性遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。具體步驟如下：將同一實(shí)驗(yàn)條件下的多張微粒運(yùn)動(dòng)明場(chǎng)和熒光圖像分別進(jìn)行堆疊，獲得微粒在流道內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分布以去除隨機(jī)因素的影響。將疊加后的明場(chǎng)與熒光圖像進(jìn)行組合，確定熒光圖像中的流道壁面的位置。在熒光圖像上沿流道寬度方向繪制檢測(cè)線，并提取獲得沿檢測(cè)線的熒光強(qiáng)度分布曲線，用于量化表征微粒在流道內(nèi)的橫向分布情況。

3?結(jié)果與討論

3.1?異型截面微流道加工結(jié)果

為驗(yàn)證提出的異型截面微流道加工方法的有效性，設(shè)計(jì)方形、半橢圓形和等腰三角形作為流道截面，并將所有圖形的高度與底邊長(zhǎng)度均設(shè)為200 μm，以便進(jìn)行比較。利用皮秒激光切割技術(shù)，將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移至打印噴嘴微孔后得到的顯微圖像（圖3A）。從圖3A可見(jiàn)，加工得到的噴嘴微孔形狀與設(shè)計(jì)圖形保持一致。由于切割微孔時(shí)采用圓形激光光斑，因此在噴嘴微孔的尖角處形成過(guò)渡圓弧。為定量分析噴嘴微孔的尺寸信息，對(duì)微孔面積進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算得到方形、半橢圓形和三角形的理論邊長(zhǎng)分別為211、221和273 μm。需要說(shuō)明的是，盡管加工得到的噴嘴微孔尺寸高于設(shè)計(jì)值，然而這些尺寸誤差并不影響后續(xù)微流道陽(yáng)模的打印。采用特定形狀的噴嘴微孔擠出ABS材料時(shí)，通過(guò)匹配擠出量與打印平臺(tái)向下移動(dòng)的距離，即可得到具有理想截面尺寸的微流道陽(yáng)模。由于在流道陽(yáng)模打印過(guò)程中始終保持?jǐn)D出的ABS絲材處于拉直狀態(tài)，得到的流道陽(yáng)模具有較好的直線度（如圖3B和圖3C所示）。打印獲得ABS流道陽(yáng)模后，結(jié)合PDMS澆注技術(shù)與犧牲陽(yáng)模溶解技術(shù)，得到的典型PDMS流道截面如圖3D所示，測(cè)得方形、半橢圓形和三角形流道截面的理論邊長(zhǎng)分別為199、201和234 μm。對(duì)比PDMS流道截面和噴嘴微孔的形狀，發(fā)現(xiàn)微流道在截面的各邊中心處向外凸起。利用FDM技術(shù)打印流道陽(yáng)模時(shí)，需通過(guò)擠出機(jī)向噴嘴內(nèi)的熔融ABS材料施加壓力。當(dāng)通過(guò)擠出微孔離開(kāi)噴嘴后，ABS材料內(nèi)部的應(yīng)力釋放將引起材料向外側(cè)膨脹。由于在噴嘴微孔各邊的中心附近存在相對(duì)較少的邊界約束，使得ABS材料在這些位置的橫向膨脹更加明顯，最終造成在微流道截面的各邊中心處產(chǎn)生凸起。由圖3D可見(jiàn)，盡管在流道截面的尖角處存在過(guò)渡圓弧、在各邊的中心處存在凸起，本研究提出的基于3D打印犧牲陽(yáng)模的異型截面微流道加工方法能夠有效地將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移至微流道截面上。采用3D打印犧牲陽(yáng)模加工微流道的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)控制擠出ABS絲材的長(zhǎng)度方便地調(diào)整加工微流道的長(zhǎng)度。

3.2?多尺寸微流道加工結(jié)果

基于改進(jìn)噴嘴擠出異型截面流道陽(yáng)模方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠利用同一噴嘴進(jìn)行多尺寸流道的加工。采用指定改進(jìn)噴嘴打印流道陽(yáng)模時(shí)，控制ABS材料的擠出量或擠出長(zhǎng)度即可方便地調(diào)整流道陽(yáng)模的截面尺寸，而保持流道陽(yáng)模的截面形狀不變。為了簡(jiǎn)化打印工藝，將ABS絲材的擠出長(zhǎng)度（即打印平臺(tái)向下移動(dòng)的距離）固定為150 mm，僅通過(guò)控制ABS材料的總體擠出量進(jìn)行流道陽(yáng)模的多尺寸加工（擠出量與流道陽(yáng)模理論邊長(zhǎng)的平方成正比）。采用圖3A所示的半橢圓形噴嘴，設(shè)定不同ABS擠出量，打印獲得的半橢圓形流道截面顯微圖像如圖4A所示（圖中同時(shí)包含了對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)半橢圓形的理論邊長(zhǎng)值）。盡管采用同一個(gè)打印噴嘴，在不同ABS材料擠出量的情況下得到的流道尺寸相差較大，半橢圓形流道截面的理論邊長(zhǎng)從95 μm變化到262 μm。對(duì)比不同尺寸的微流道，發(fā)現(xiàn)流道截面的形狀仍保持一致。對(duì)于方形和三角形噴嘴而言，在不同ABS擠出量情況下加工微流道得到的結(jié)論與半橢圓形相似，計(jì)算得到方形、半橢圓形和三角形流道的截面理論邊長(zhǎng)值如圖4B所示（圖中箭頭位置表示對(duì)應(yīng)打印噴嘴微孔的理論邊長(zhǎng)），提出的基于3D打印犧牲陽(yáng)模的微流道加工方法能夠利用單個(gè)噴嘴制造出不同尺寸的微流道。針對(duì)特定的打印噴嘴，能夠加工的最大流道尺寸由保持打印陽(yáng)模拉直狀態(tài)的最大擠出量確定，而能夠加工的最小流道尺寸則依賴于打印平臺(tái)的穩(wěn)定性（打印平臺(tái)的振動(dòng)將直接影響較小尺寸流道陽(yáng)模的直線度）。具體而言，對(duì)于方形打印噴嘴（理論邊長(zhǎng)為211 μm），加工得到流道截面的理論邊長(zhǎng)范圍為84～254 μm。而對(duì)于三角形打印噴嘴（理論邊長(zhǎng)為273 μm），加工得到的流道截面理論邊長(zhǎng)范圍為97～322 μm。

3.3?微粒慣性操控實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證加工得到異型截面微流道在調(diào)節(jié)微粒慣性操控方面的有效作用，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)， 研究微粒在半橢圓形和三角形直流道內(nèi)的慣性聚焦行為。有限雷諾數(shù)情況下，當(dāng)牛頓流體在微尺度直流道內(nèi)呈層流流動(dòng)時(shí)，拋物線型的流速分布將在懸浮于流體內(nèi)的微粒上誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)指向流道壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力FS。而當(dāng)微粒橫向運(yùn)動(dòng)至流道壁面附近時(shí)，流道壁的存在降低了微粒的運(yùn)動(dòng)速度，從而在微粒上誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)指向流道中心的壁面誘導(dǎo)慣性升力FW。上述方向相反的剪切誘導(dǎo)慣性升力和壁面誘導(dǎo)慣性升力的合力統(tǒng)稱為慣性升力FL=fLρU2ap4/Dh2[9]。其中，fL為慣性升力系數(shù)，ρ為流體密度，U為流體平均流速，ap為微粒直徑，Dh為流道水力直徑。當(dāng)隨流體在微流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，微粒將受到慣性升力的作用而橫向遷移運(yùn)動(dòng)至慣性升力為零的截面位置，從而形成穩(wěn)定的慣性聚焦。對(duì)于方形流道而言，微粒將在靠近流道截面邊長(zhǎng)的中心附近形成穩(wěn)定的四個(gè)聚焦平衡位置[21]。已有大量研究者對(duì)方形流道內(nèi)微粒的慣性遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，因此本研究不再討論流體在方形流道內(nèi)的分布情況以及微粒在方形流道內(nèi)的慣性聚焦行為。

根據(jù)上述慣性聚焦理論，選取平均直徑較大的15 μm聚苯乙烯熒光粒子作為測(cè)試微粒，選用長(zhǎng)度為6 mm、具有較小尺寸的半橢圓形（理論邊長(zhǎng)為121 μm）和三角形（理論邊長(zhǎng)為116 μm）流道作為測(cè)試載體，以保證流經(jīng)微流道后的微粒能夠形成有效慣性聚焦。為避免微粒在受限微流道內(nèi)的相互干擾，配制極低濃度的微粒PBS懸浮液，并加入少量表面活性劑吐溫20，以減少微粒團(tuán)聚及其在流道壁面上的黏附。在每次實(shí)驗(yàn)前，向微流道內(nèi)持續(xù)通入無(wú)水乙醇30 min，清除流道內(nèi)的雜質(zhì)并排出微氣泡。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，在50～300 μL/min的流量范圍內(nèi)（間隔50 μL/min）將微粒懸浮液注入微流道。觀測(cè)不同流量下流道出口處的微粒運(yùn)動(dòng)熒光圖譜，分析得到對(duì)應(yīng)的定量規(guī)格化熒光強(qiáng)度分布曲線如圖5所示，其中左側(cè)為流道正視圖， 右側(cè)為流道側(cè)視圖。為了能夠直接比較兩種微流道內(nèi)的微粒慣性聚焦情況，將半橢圓形和三角形流道的寬度與高度均歸一化為100 μm。從圖5可見(jiàn)，流體流量是調(diào)控微粒慣性聚焦特性的有效參數(shù)。當(dāng)流量較低時(shí)，由于微粒所受慣性升力的作用相對(duì)較弱，在有限長(zhǎng)的流道內(nèi)部分微粒尚未形成穩(wěn)定的慣性聚焦。而隨著流量增加，微粒在更強(qiáng)慣性升力的作用下逐漸穩(wěn)定聚焦在流道截面內(nèi)的平衡位置上。對(duì)于半橢圓形流道而言，流量較低時(shí)微粒在靠近流道截面的右下角處形成偽聚焦現(xiàn)象。這可能是由打孔時(shí)加工誤差造成在流道入口處微粒集中于流道右下角附近，并且在有限長(zhǎng)的流道內(nèi)微粒未形成有效的橫向遷移。隨著流量逐漸增加至300 μL/min，聚集在流道右下角的微粒因受到更強(qiáng)的慣性升力作用而逐漸橫向遷移運(yùn)動(dòng)至穩(wěn)定的慣性聚焦平衡位置上。對(duì)于三角形流道而言，雖然在低流量時(shí)的微粒偽聚焦位置與半橢圓形流道存在較大差異，然而在高流量時(shí)的穩(wěn)定聚焦平衡位置數(shù)量與半橢圓形流道一致，即在水平方向上存在3個(gè)平衡位置，在垂直方向上存在2個(gè)平衡位置。進(jìn)一步比較兩種流道內(nèi)微粒的穩(wěn)定聚焦平穩(wěn)位置，發(fā)現(xiàn)在水平方向上三角形流道內(nèi)的微粒聚焦位置更靠近流道中心，而在垂直方向上三角形流道內(nèi)的微粒聚焦位置則更靠近流道底部。

為進(jìn)一步分析產(chǎn)生上述微粒慣性聚焦現(xiàn)象的潛在原因，采用多物理場(chǎng)有限元分析軟件COMSOL Multiphysics的層流模塊對(duì)半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的流體流動(dòng)情況進(jìn)行仿真。首先，利用SolidWorks軟件建立流道三維模型并將其導(dǎo)入COMSOL中構(gòu)建微流道的幾何模型，定義流道壁面為無(wú)滑移邊界。將懸浮液簡(jiǎn)化為水溶液（密度為1000 kg/m3、動(dòng)力粘度為1 mPa·s），并將流體設(shè)置為不可壓縮流體。定義流道入口為層流流入，平均流速根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流量與微流道截面的比值確定，入口長(zhǎng)度為1 mm，流道出口壓力設(shè)置為0 Pa。采用細(xì)化的四面體網(wǎng)格劃分模型，求解穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程， 得到流量為300 μL/min時(shí)半橢圓形和三角形微流道截面上流體流速的分布情況。 如圖6所示（圖中填充圓形用來(lái)表示實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微粒聚焦平衡位置），流體的流速在流道中心附近最高，且沿著徑向距離的增加而逐漸下降至零，呈現(xiàn)出典型的層流流動(dòng)特性。因此，在指向流道壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力FS和指向流道軸心的壁面誘導(dǎo)慣性升力FW共同作用下，微粒在靠近流道截面邊長(zhǎng)的中心附近形成穩(wěn)定的3個(gè)平衡位置。需要注意的是，三角形微流道的3個(gè)慣性聚焦平衡位置與Kim等[13]報(bào)道的結(jié)論一致，然而半橢圓形微流道的3個(gè)慣性聚焦平衡位置則與Kim等[13]提出的半圓形流道有所不同。當(dāng)微粒在半圓形微流道內(nèi)隨流體流動(dòng)時(shí)，將在靠近流道頂部和底邊中心處形成2個(gè)穩(wěn)定的聚焦平衡位置。由于本研究采用的半橢圓形流道的截面高度是半圓形流道的2倍，造成半橢圓形流道內(nèi)的微粒慣性聚焦行為更加接近于形狀相似的三角形，而半圓形流道內(nèi)的微粒慣性聚焦行為則更加接近于形狀相似的低深寬比矩形流道[9]。從圖6可見(jiàn)，與半橢圓形流道相比，三角形流道內(nèi)的流體流速分布更加集中且向流道底邊偏移，從而造成微粒聚焦平衡位置在水平方向上向流道中心靠近、在垂直方向上向流道底邊靠近的現(xiàn)象。

4?結(jié) 論

提出了一種基于3D打印犧牲陽(yáng)模的異型截面微流道便捷加工方法，利用改進(jìn)的FDM打印系統(tǒng)制造異型截面流道ABS陽(yáng)模，結(jié)合PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和ABS溶解技術(shù)加工PDMS微流控芯片。采用皮秒激光切割技術(shù)可加工任意形狀的噴嘴微孔，并借助FDM打印機(jī)方便獲得具有異型截面的微流道陽(yáng)模。另外，針對(duì)特定形狀的噴嘴微孔，可通過(guò)控制打印材料的擠出量或擠出長(zhǎng)度靈活地調(diào)整微流道的截面尺寸。通過(guò)加工具有不同尺寸的方形、半橢圓形和三角形流道，驗(yàn)證了本方法在加工異型截面微流道方面的有效性。與現(xiàn)有異型截面微流道加工技術(shù)相比，本方法具有適用范圍廣、加工成本低和實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)勢(shì)，為拓展微納加工手段提供了一種有益思路。為驗(yàn)證異型截面在微粒慣性操控方面的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)研究了不同流體流量下微粒在半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的慣性聚焦行為。結(jié)果表明，半橢圓形和三角形流道內(nèi)的微粒隨流量增高時(shí)將逐漸橫向遷移運(yùn)動(dòng)至靠近流道截面邊長(zhǎng)的中心附近，并最終形成3個(gè)穩(wěn)定的平衡位置。

References

1?Whitesides G M. Nature， 2006， 442（7101）： 368-373

2?HE Qiao-Hong， FANG Qun， FANG Zhao-Lun. Chinese J. Anal. Chem.， ?2006， ?34（5）： 729-734

何巧紅， 方 群， 方肇倫. 分析化學(xué)， 2006， ?34（5）： 729-734

3?Jung W， Han J， Choi J W， Ahn C H. Microelectron. Eng.， ?2015， ?132： 46-57

4?Wang X， Chen S， Kong M， Wang Z， Costa K D， Li R A， Sun D. Lab Chip， ?2011， ?11（21）： 3656-3662

5?YAO Jia-Feng， JIANG Zhu-Peng， ZHAO Tong， WANG Hao， CHEN Bai， WU Hong-Tao. Chinese J. Anal. Chem.， ?2019， ?47（2）： 221-228

姚佳烽， 姜祝鵬， 趙 桐， 王 昊， 陳 柏， 吳洪濤. 分析化學(xué)， ?2019， ?47（2）： 221-228

6?Wang K Y， Zhou W， Lin Z G， Cai F Y， Li F， Wu J R， Meng L， Niu L L， Zheng H R. Sens. Actuators B， ?2018， ?258： 1174-1183

7?Cho H， Kim J， Jeon C W， Han K H. Lab Chip， ?2017， ?17（23）： 4113-4123

8?Lu X Y， Xuan X C. Anal. Chem.， ?2015， ?87（12）： 6389-6396

9?Zhang J， Yan S， Yuan D， Alici G， Nguyen N T， Warkiani M E， Li W H. ?Lab Chip， ?2016， ?16（1）： 10-34

10?Di Carlo D， Irimia D， Tompkins R G， Toner M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， ?2007， ?104（48）： 18892-18897

11?Amini H， Lee W， Di Carlo D. Lab Chip， ?2014， ?14（15）： 2739-2761

12?Kim J A， Lee J R， Je T J， Jeon E C， Lee W. Anal. Chem.， ?2018， ?90（3）： 1827-1835

13?Kim J， Lee J， Wu C， Nam S， Di Carlo D， Lee W. Lab Chip， ?2016， ?16（6）： 992-1001

14?Warkiani M E， Guan G， Luan K B， Lee W C， Bhagat A A S， Kant Chaudhuri P， Tan D S W， Lim W T， Lee S C， Chen P C Y， Lim C T， Han J. Lab Chip， ?2014， ?14（1）： 128-137

15?FAN Yi-Qiang， WANG Mei， ZHANG Ya-Jun. Chinese J. Anal. Chem.， ?2016， ?44（4）： 551-561

范一強(qiáng)， 王 玫， 張亞軍. 分析化學(xué)， ?2016， ?44（4）： 551-561

16?Au A K， Lee W， Folch A. Lab Chip， ?2014， ?14（7）： 1294-1301

17?Kitson P J， Rosnes M H， Sans V， Dragone V， Cronin L. Lab Chip， ?2012， ?12（18）： 3267-3271

18?Sochol R D， Sweet E， Glick C C， Venkatesh S， Avetisyan A， Ekman K F， Raulinaitis A， Tsai A， Wienkers A， Korner K， Hanson K， Long A， Hightower B J， Slatton G， Burnett D C， Massey T L， Iwai K， Lee L P， Pister K S J， Lin L. Lab Chip， ?2016， ?16（4）： 668-678

19?YANG Li-Jun， ZHU Li， LU Bao-Chun， ZHANG Wei-Yi. Chinese J. Anal. Chem.， ?2017， ?45（6）： 922-930

楊利軍， 朱 麗， 陸寶春， 章維一. 分析化學(xué)， ?2017， ?45（6）： 922-930

20?Saggiomo V， Velders A H. Adv. Sci.， ?2015， ?2（9）： 1500125

21?Di Carlo D. Lab Chip， ?2009， ?9（21）： 3038-3046