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基于微流控芯片的带电液滴教学实验系统

发布时间:2016-12-24  点击量:

【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。 


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