基于微流控芯片的带电液滴教学实验系统

刘威++饶浪

【摘要】带电液滴是负载有电荷的微小液滴，其在化工，电子等领域有的广泛的应用价值。本文利用微流控芯片技术，在流聚焦沟道处实现了微液滴的可控精确生成，通过流速的控制可以对微液滴的尺寸和生成的速度进行调整；利用极化微液滴的分裂，实现了对微液滴的充电，通过控制极化电场的强度，可以精确的调整带电微液滴上的电荷量；利用微流沟道里的三维微电极，在微流控芯片内构建了局部的平行电场，通过平行电场对微液滴进行了精密的操控；同时通过理论分析，详细的分析了微液滴的偏转距离和微液滴所负载电荷量的关系。

【关键词】微液滴 带电液滴 微流控芯片 微加工

【基金项目】国家基础科学人才培养基金： （J1210061）。

【Abstract】Charged droplet is micro-droplet with positive or negative charge， which has widely application value in chemical and electronic field. In this paper， fluid-focus structure in microfluidics chip was utilized to generate droplet. The size can be accurately adjusted by controlling the speed of the inlet liquid. Droplet was charged by split of the polarized droplet. The charge quantity in the droplet can be accurately adjusted by applying the voltage on the electrodes. The charged droplets can also be control by the 3D-electrodes integrated in the microfluidics chip. Through the theory calculation， the relationship between the replacement distance and the charge quantity of the droplets was analyzed.

【Keywords】droplet； droplet charge； microfluidics chip； micromachining

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）09-0255-02

带电液滴有着广泛的基础研究和应用研究的价值，带电液滴可用于静电喷涂，能够使涂层均匀并节省能源；带电液滴也可以用大面积农药散布，由于静电力的作用，可使农药颗粒吸附在树木的叶子果实表面，防止农药飞散，大大的提高农药利用率；液滴偏转印刷也是带电液滴的重要应用领域，液滴偏转印刷几乎没有机械部件，可以进行高速印字，噪音低，成本便宜。密立根油滴实验也是带电液滴在基础研究中的重要应用。

然而传统的微液滴制备方式为喷嘴喷出法，无法对液滴的尺寸和带电量进行精确的控制，也无法直观的观察液滴充电和生成，大大限制了对带电液滴的分析和应用。

微流控芯片又被称为芯片实验室，是在一块几平方厘米大小的芯片上集成液体的制备、反应、检测、分离等多个功能，实现多功能的微型液体实验室。其微通道尺寸的数量级达到微米级，甚至是亚微米级的层次，所以在微通道中的流体的厚度也可以达到微米甚至是亚微米级的，从而能够实现对液体的各种精密控制。

微流控芯片凭借其高通量、小尺寸、低成本、少量的试剂消耗、无污染、分析速度快和准确性高等优点成为已化学合成、生物分析和信息技术检测方面最有前景的实验平台之一。随着微流控芯片技术飞速发展，其应用也越来越广泛，在微流控芯片中实现液滴分选的技术便是微流控芯片的重要应用之一，有着反应速度快、试剂消耗小的优点，具有强大的分析功能[1]，[2]，应用前景被广泛看好。用于细胞俘获、细胞培养、细胞裂解和其他应用[2-5]的基础液滴操作包含有液滴的产生、分选、诱捕和融合，可利用光学[4]、磁性[6]、声学[7]、阀基[8]、电学[3，9-12]等多种手段进行操作。

本文利用微流控芯片设计了一组微液滴操控系统，实现了对微液滴的尺寸的可控生成，微液滴的精密充电，以及带电液滴偏转。所有功能集成在一块硬币大小的微流空芯片内部。

1.微流控芯片设计和加工

1.1微流芯片设计

图1是实验所用到的微流体芯片功能示意图，包括三个功能部分：（1）微液滴发生部分，（2）微液滴充电部分和（3）带电液滴偏转部分。

如图1（c）所示为芯片中的“十字”流聚焦结构。流聚焦结构是微流控芯片中的液滴生成结构，其通常为十字形状，两侧的连续油相和中间的水相在十字点汇聚，如图所示。十字沟道的油相可以对中间水相施加对称的剪切力，将水相剪切成一个一个水相微液滴。

如图1（d）区域为微液滴充电区域。

水相微液滴的分裂，可以使一颗纳升或皮升级的极化微液滴分裂成多个包含有不同电荷的更小微液滴。微液滴分裂主要借助于微液滴通过不同结构时的剪切力来实现。如图1（d）所示，T形分裂沟道可以用来进行微液滴的等比例分裂，当T形沟道上下两分支的长度和宽度相同的时候，其流阻也相同，微液滴在T形沟道处被分割成两个子微液滴，子微液滴的尺寸由气阀（图1f）的压力来控制。液滴在充电电场（图1d）中，会发生正负电荷的分离，靠近正电极的液滴表面会带负电荷，靠近负电极的液滴会带正电荷。

图1（g）区域为带点液滴偏转区域。带电微液滴在电场的作用下发生偏转。

1.2微流芯片加工

微流控芯片利用软光刻方法进行制备，其制备步骤：（1）打印微流控芯片通道胶片掩膜。用它代替传统的光刻玻璃掩膜；用台式甩胶机在硅片上涂覆60微米厚的AZ-50XT光刻胶，且用电热板在110摄氏度烘干；（2）利用制作的胶片掩膜对涂有光刻胶的硅片进行曝光。显影烘干得到具有阳模的硅片；（3）将PDMS按10：1的比例配比，混和均匀，在硅片阳模上涂覆8毫米厚，70摄氏度固化1小时；（4）将固化后PDMS从硅片上揭起，打孔；（5）用等离子清洗机对PDMS和载波片进行表面改性，将PDMS同载波片粘合；（6）3D电极是由银浆注入电极沟道而成。将上述芯片在80℃烘箱内保存两周时间，形成疏水的沟道表面，即可用来进行微液滴实验。

2.微液滴实验

将制备好的微流控芯片防止在显微镜物镜下，利用电动注射泵从A口以10ul/s的速度注入油相，从B口以20ul/s的速度注入水相，等待10分钟待芯片压力达到平衡，即可稳定的在芯片的（a）区十字沟道处生成微液滴。在（b）区的对电极施加300V的直流电压，对微液滴进行充电，在（c）区的对电极上施加200V的直流电压，对带点微液滴进行偏转。

液滴的生成和运动通过带有高速电荷耦合器件相机的倒置显微镜观察并记录。

2.1微液滴生成实验结果

如图3所示，为流聚焦型“十字形”直角沟道结构，上下两路连续相为油相，中间分散相为水相。油相经过十字沟道交汇点与水相沟道汇合，形成高速层流，随后层流进入右侧沟道。由于右侧沟道具有较窄宽度，而使得雷诺系数突然间提高，层流变成湍流，断裂后形成油包水液滴。

通过调整水相的流速和油相的流速，能够精确的控制生成的微液滴的尺寸。

2.2微液滴充电

如图4所示，为微液滴分裂沟道在显微镜下观察的照片。黑色区域为导电电极，上电极接电源正极，下电极接电源负极，上下电极见施加300V的电压，两对电极间距约150微米。液滴在电场中从左至右流过，会在电场中极化，靠近正电极的液滴表面会带负电荷，靠近负电极的液滴表面带正电荷。当液滴移动到右侧，碰到和运动方向垂直的沟道壁时，会被沟道壁上的T形结构分裂成两个子液滴。向上运动的子液滴保留了极化负电荷而带负电，向下运动的子液滴保留了极化正电荷而带正电，这样就实现了对微液滴的充电。

通过调整对电极之间施加的电压大小，可以精密的控制子液滴所带电荷的电量。同时通过调整气阀的压力大小，可以控制液滴的大小，如图3a、3b所示。

2.3带电微液滴在电场下的偏转

如图5所示，分裂后的带负电子液滴进入三维平行电极形成的平行电场区。如5（a）所示，如果在对电极之间不加电场，则带电液滴从左向右流过，并不发生偏转。如图5（b）所示，当在两平行电极间施加200V的电压后，在平行电场的作用下，带负电子液滴向正电极方向偏转，偏转的程度由所加电场的大小来决定。

通过偏转的距离和施加电压的大小，能够计算出子液滴所带电量的多少。

3.结论

以上实验结果表明，利用微流控芯片技术能够精确的对微液滴的尺寸，分布和带电量进行控制。理论分析表明，通过测量在微流控芯片里偏转电场的强度和子液滴偏转距离，能够计算出微液滴所带电荷量的大小。

基于微流控芯片的微液滴生成，充电，偏转系统方便直观，造价低廉，非常适合用来开设相关大学物理实验，让学生直观的观察电荷在电场中的受力作用。

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作者简介：

刘威（1979-），男，湖北天门人，副教授，博士，从事微流控芯片领域的研究工作。