微流控芯片(Microfluidic Chip)是通过微细加工技术将微泵、微阀和微传感器等器件集成到一块几cm2的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学实验室功能的一种技术平台[1]。电渗驱动由于其结构简单、操作方便和流型扁平等特点，成为微流控芯片中最常用的驱动和控制方法，即是一种基于微通道表面双电层和外加电场而产生的流体运动[2]。电渗流速度(Veof)可由Helmholtz-Smoluchowski(H-S)公式描述[3]
式中：ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，ζ为微通道表面zeta电势，E为外加电场强度，μ为动力学粘度。因此，当测得微通道的表面电位，就可以通过公式(1)求得Veof。
当微通道形状不规则或者在粗糙表面微通道内，微通道壁面电势难以进行测量，因此无法用H-S公式(1)求得Veof。微通道电渗流的测量一般有直接测量和间接测量2种方法[4]。直接测量法最典型的代表是显微粒子成像测速(MicroPIV)技术，采用在通道入口释放并追踪荧光粒子来测量电渗流速度及流量，在电渗流测量中广泛应用[5]。间接测量法又称为电流监测法，首先在芯片通道中充满一种溶液，然后在外加电场作用下用另一种具有相同电解质但不同浓度的溶液替换原溶液，记录在此期间电流变化所需要的时间，计算出EOF的平均速度[6]。
许多研究者对EOF的流动特性进行了实验测定，Ren等[7]提出了在圆柱形毛细管内EOF电解液相互替换过程的理论模型，并通过实验测定了电解液替换过程中电流随时间的非线性变化，实验结果很好地验证了理论模型的正确性。孙悦等[8]以罗丹明123中性荧光分子为标记物，采用直接法测定了微流控芯片内碱性溶液中的EOF淌度。Hsieh等[9]采用MicroPIV技术，测量了矩形截面微通道内的Veof，微通道由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作而成。以上实验研究除文献[10]外，目前还没有发现其他类似的研究成果，对粗糙表面微通道内电渗流输运特性的分析多采用数值模拟而鲜有实验研究，且目前已报导的实验研究也主要针对光滑表面微通道。
本文制作2种不同表面结构的微流控芯片，首先针对光滑通道测量Veof，与H-S公式(1)进行比较，以证明本文采用的电流监测法可行；然后在粗糙管中测量了Veof；最后对光滑表面和不规则粗糙表面微通道内的Veof进行对比研究，并分析电场强度、溶液浓度等对Veof的影响。
1 材料与方法 1.1 微通道制作材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，具有成本低、易加工、易于批量生产、不易破碎和性能稳定等优点。采用热压法制作微流控芯片[11]，其主要步骤包括：微通道结构设计、硬质合金模板的制作、PMMA基片压制、芯片储液槽加工和芯片键合等。
制作完成的PMMA微流控芯片如图 1所示，其中图 1(a)为双T型芯片，由大连理工大学微系统研究中心加工而成，图 1(b)为单一直通道芯片，其微通道采用标准毛细管作为简易阳模热压后手工雕刻而成。
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| 图 1 PMMA微流控芯片 Fig. 1 PMMA microfluidic chips |
微通道表面结构参数采 用移相轮廓仪(美国ADE公司)测量，双T型芯片微通道截面如图 2所示，其截面呈梯形，微通道深为40.9μm，上宽79.9μm，下宽65.4μm，微通道表面光洁度良好，可认为是理想的光滑表面。
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| 图 2 双T型芯片微通道截面 Fig. 2 Profile of double-T structure channel chips |
简单直通道芯片的微通道截面采用Talysurf表面轮廓仪(英国Taylor公司)测量，如图 3所示，其截面呈不规则梯形，微通道深为56.54μm，上宽470μm，下宽约80μm。微通道底部具有一定的不规则粗糙峰面，峰面高度在1~6μm范围内，平均高度约2.8μm，相对微通道深度为5%，势必会对微通道流动产生一定的阻碍作用。
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| 图 3 单一直通道芯片微通道截面 Fig. 3 Profile of single straight structure channel chip |
基于电流监测法[12](Current-monitoring Method)原理测量芯片微通道中的电流，并把电流转化为电压进行显示和数据保存。该方法具有原理简单、实验操作方便和结果可靠等优点[13]。监测系统硬件部分由电源回路系统和数据采集系统2部分构成，其示意图如图 4所示，图中R1和R2分别为微通道两端的缓冲液池和废液池，R为可调电阻。
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| 图 4 电流监测法测量EOF示意图 Fig. 4 Scheme of EOF measurement using the current-monitoring method |
电源回路系统主要包括PMMA微流控芯片、多通道直流高压电源、铂丝电极、电极槽和电解质溶液等。数据采集系统由基于LabVIEW软件的虚拟仪器和数据采集卡构成，使用前首先通过编写驱动程序调用数据采集卡的接口通道，然后在LabVIEW软件中编写数据采集和保存程序。
1.3 实验过程在缓冲液池(R1)、废液池(R2)和微通道中充满一定浓度如10mM(毫摩尔/升)的NaCl溶液，调节直流电源电压输出正极800V，负极接地(双T型PMMA芯片另外2个储液池保持悬空)，初步观察回路内的电流大小，确定串联电阻R=2kΩ，通过电压数据采集系统采集电阻2端的电压，即将芯片通道内的电流转化为电压数据输出。
待回路电流稳定后，用绝缘微量注射器将缓冲液池溶液换为高离子浓度NaCl溶液(20mM)，微通道电流逐渐变大，直至高离子浓度缓冲液完全充满整个微通道，电流再次保持稳定，这一电流达到平稳期所需要的时间即是20mM NaCl溶液在分离通道电渗所用时间(即电流上升时间)；再将缓冲液池中的高离子浓度缓冲液换为低离子浓度如10mM的NaCl溶液，继续记录电压-时间曲线，得到10mM的NaCl溶液在电渗流驱动下由缓冲液池开始充满整个微通道所需的时间(即电流下降时间)，为避免2液池内溶液体积不同造成水压而形成误差，实验中尽可能使2液池中的溶液体积相等；如此重复3次，分别求出电流上升和下降时间的平均值为高浓度和低浓度溶液的电渗迁移时间t，按公式(2)计算不同浓度溶液的电渗流速度[14]：
式中：L为微通道长度(mm)，t为电渗迁移时间(s)。
根据以上方法，依次测量NaCl溶液浓度n分别 为0.01、0.1、1、10和100mM时的电渗迁移时间t，然后改变外加电压大小，使得微通道电场强度分别满足200、300、400、500和600V/cm等不同条件，测量不同电场强度条件下的电渗 迁移时间t，根据微通道长度L和公式(2)计算不同浓度和电场强度下的Veof[15]。
2 结果及分析 2.1 光滑通道实验根据电流监测法，首先测量光滑表面微通道内的EOF，所得的部分数据如图 5所示，纵坐标为微通道内的电流经电阻之后转化而成的电压，横坐标为采样点，检测系统中电压采样间隔ΔT=100ms。图 5(a)所示为10mM浓度NaCl溶液置换1mM浓度溶液，E=300V/cm，L=40mm，由横坐标采样点和采样间隔计算得到电渗迁移时间t=24s；图 5(b)所示为0.1mM浓度NaCl溶液置换10mM浓度溶液，E=400V/cm，L=40mm，t=18s。
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| 图 5 光滑表面微通道EOF测量数据 Fig. 5 EOF measurement data in smooth microchannel |
对不同电场强度和不同浓度溶液进行类似的置换过程，计算全部实验数据，可得光滑表面微通道电渗流实验结果。表 1为10mM浓度的NaCl溶液在电场强度分别为200、300、400、500和600V/cm时的EOF实验监测数据。表 2为电场强度为200V/cm下0.01、0.1、1、10和100mM的NaCl溶液的EOF实验监测数据。
| 电场强度E/(V·cm-1) | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
| 实验Veof/(mm·s-1) | 1.143 | 1.667 | 2.222 | 2.758 | 3.333 |
| H-S公式 Veof/(mm·s-1) | 1.133 | 1.700 | 2.267 | 2.833 | 3.400 |
| 误差/% | 0.88 | 1.94 | 1.99 | 2.66 | 1.97 |
| 溶液浓度n/mM | 0.01 | 0.1 | 1 | 10 | 100 |
| Veof/(mm·s-1) | 2.0 | 1.6 | 1.333 | 1.143 | 1.0 |
为了验证本文所用实验方法的正确性，将实验系统所测量的Veof与H-S公式(1)计算得到的Veof进行对比，结果如表 1所示。在H-S公式中，真空介电常数为ε0=8.854×10-12 C2·J-1·m-1，溶液介电常数为εr=80，表面zeta电势为ζ=-0.08V，动力学粘度为μ=1.0×10-3 N·s·m-2。
由表 1可得，实验系统所测得的Veof与H-S公式所求得的Veof相对误差最大为2.66%，说明本文设计的检测系统能够满足微通道内EOF检测的需求。
2.2 粗糙通道实验同样的方法，测量粗糙表面微通道内的EOF，部分数据如图 6所示。图 6(a)所示为0.1mM浓度NaCl溶液置换10mm浓度溶液，E=400V/cm，L=37.5mm，t=20s；图 6(b)所示为1mM浓度NaCl溶液置换10mM浓度溶液，E=400V/cm，L=37.5mm，t=13s。对不同电场强度和不同浓度溶液进行类似的实验，根据实验数据进行计算和处理，结果如表 3和4所示。
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| 图 6 粗糙表面微通道EOF测量数据 Fig. 6 EOF measurement data in rough microchannel |
| 电场强度E/(V·cm-1) | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
| Veof/(mm·s-1) | 0.682 | 1.1 | 1.5 | 1.9 | 2.34 |
| 溶液浓度n/mM | 0.01 | 0.1 | 1 | 10 | 100 |
| Veof/(mm·s-1) | 1.7 | 1.34 | 1.04 | 0.75 | 0.6 |
由图 5和6可知，溶液置换前，电压平稳输出；溶液置换过程中，微通道内溶液浓度发生变化进而影响EOF，其中电压出现跳变的时间段即为该浓度溶液在微通道内的EOF输运过程。当用高浓度溶液置换低浓度溶液时电压以上升形式跳变；反之，用低浓度溶液置换高浓度溶液时，电压则以下降方式跳变。当置换溶液重新充满微通道时，Veof平稳，电压恢复平稳输出。比较图 5和6，容易发现在溶液置换过程中，电压变化趋势相似，均是保持一定斜率的阶梯状过渡；但是粗糙微通道中由于表面粗糙度的存在，使得流速存在一定的阻碍和剧烈波动，表现在电压上即是存在较大的高频干扰，根本原因是不规则粗糙表面结构，使得微通道中的双电层分布不均匀，从而导致电解质溶液受到的外部电场力不一致。
2.3 结果分析与讨论综合实验数据，容易得出光滑和粗糙表面微通道电渗流速度与电场强度的关系曲线，如图 7所示；光滑和粗糙表面微通道电渗流速度与溶液浓度的关系曲线，如图 8所示，图中Smooth和Rough分别表示光滑和粗糙表面微通道的相关数据。
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| 图 7 电渗流速度-电场强度对比曲线 Fig. 7 EOF velocity-electric strength in microchannels |
由图 7可以看出，光滑表面微通道Veof与外加电场强度成线性关系，电场强度E增大，速度成比例增大。由公式(1)可知，其斜率为电渗淌度μ0=ε0εr ζ/μ。粗糙表面微通道Veof随电场强度的变化规律和光滑表面芯片一致，也为线性关系，但斜率与光滑表面微通道的不同。由拟合数据函数可以发现，粗糙芯片曲线的线性系数是0.00386，而光滑芯片曲线的线性系数是0.005，即粗糙芯片曲线斜率(淌度)仅为光滑芯片曲线的77.2%。表明在相同条件下，由于粗糙度的阻碍作用，Veof具有明显的降低；当粗糙度相对微通道深度为5%时，降低幅度约为23%。同时，随着电场强度的增大，两者Veof之间的差距增大，由于通道表面的粗糙度造成zeta电位降低所致。
从图 8中光滑表面微通道数据曲线可以发现，Veof与溶液浓度密切相关，Veof随溶液浓度增大并非线性减小，这是由于溶液浓度增大时，由德拜厚度表达式[16] λD=(ε0 εr kB T/(2z2e2n0))1/2可知，λD∝=1/(n01/2)，德拜长度与溶液浓度的开方成反比。当溶液浓度增加时，壁面双电层厚度非线性变薄，表面zeta电势减小，溶液淌度减小，从而使得Veof非线性减小。该结果与文献[17]所得结果相似。
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| 图 8 电渗流速度-溶液浓度对比曲线 Fig. 8 EOF velocity-concentration in microchannels |
从图 8中可以发现，粗糙表面微通道Veof随溶液浓度的变化规律和光滑表面微通道一致，在低浓度区域斜率较大，微通道Veof在低浓度溶液中受溶液浓度影响较大；随着溶液浓度的增加，浓度对Veof的影响减小，高浓度区域斜率减小。随着溶液浓度的增加，粗糙表面微通道Veof和光滑表面微通道Veof之间的差距增大，降低幅度在15%~40%范围内。这是由于此时EDL厚度较小，溶液在近壁面区流动的相对较多，受到粗糙度的阻碍作用也更强。
根据以上分析可知，一般表面的微流控芯片在应用过程中，为了提高样品溶液的分离精度和效率，可以提高外加电场强度，但是当电场强度过高时，会使样品溶液的温度上升，可能会在微通道内部产生微小气泡，进而形成电流中断，导致电渗流的终止；为了达到同样的目的，可以降低溶液浓度，但是溶液浓度过低，会影响分离与检测的精度。因此，可综合考虑以上因素，获得一定的最优条件。
3 结 论选用聚甲基丙烯酸甲酯为材料，设计和制作了2种简单的微流控芯片，对其表面和几何参数进行了测试；设计并搭建了微流控芯片EOF检测系统，测量了光滑表面和不规则粗糙表面微通道内部的EOF，并进行了对比研究，得出以下结论：
(1) 在光滑通道中采用电流监测法进行EOF测量，按照实验公式(2)整理的Veof与H-S公式(1)给出的理论值一致，可以预测微通道的表面电势。
(2) 基于电流监测法测量的不规则粗糙表面微通道Veof随电场强度的变化规律和光滑表面芯片一致，均为线性关系，但随着电场强度的增大，两者之间的差距增大，所测粗糙芯片曲线斜率(淌度)仅为光滑芯片曲线的77.2%。
(3) 粗糙表面微通道Veof随溶液浓度的变化规律和光滑表面芯片基本一致，即随着溶液浓度的增大，Veof非线性逐渐减小；微通道Veof在低浓度溶液中受溶液浓度影响较大，随着溶液浓度的增加，浓度对Veof的影响减小。
(4) 相同条件下，相对于光滑表面微通道，粗糙表面微通道由于粗糙度的阻碍作用，Veof具有明显的降低；当相对微通道深度为5%，降低幅度约为23%。随着溶液浓度的增加，光滑表面微通道Veof和粗糙表面微通道Veof之间的差距增大，Veof降低幅度在15%~40%范围内。
本文所用微流控芯片制作方法简单，微通道表面及参数测试过程比较常规，微通道Veof检测方法对实验设备要求低，具有直观、方便和成本低的优点。
致谢: 感谢大连理工大学刘军山、徐征在微流控芯片加工中提供的帮助。
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