微流控非接觸電導(dǎo)檢測(cè)芯片的設(shè)計(jì)與模擬

1、本人精心整理的文檔,文檔來自網(wǎng)絡(luò) 本人僅收藏整理 如有錯(cuò)誤 還請(qǐng)自己查證！ 微流控非接觸電導(dǎo)檢測(cè)芯片的設(shè)計(jì)與模擬 趙蘋1 傅崇崗1* 王立新2 （1.聊城大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 聊城252059；2.聊城大學(xué) 傳媒技術(shù)學(xué)院 聊城252059） 摘要：采用微加工技術(shù)制作了微芯片非接觸電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng) 考察了激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率、濃度對(duì)輸出信號(hào)的影響 采用wewb5.0軟件對(duì)檢測(cè)池的模擬電路進(jìn)行了仿真模擬 通過比較實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果 發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性 說明模擬電路較好地反映了非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池的電氣特性 關(guān)鍵詞：微流控芯片；非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池；等效電路模擬 中圖分類號(hào)：O657. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編

2、號(hào)： Design and simulation of Microfluidic chip with contactless conductivity detection ZHAO Ping1, FU Chong-Gang1*, WANG Li-Xin2 (1.School of chem.and chem. Eng.,Liaocheng University, Liaocheng, 252059, China；2.School of Media and Communication Technology,Liaocheng University, Liaocheng, 252059,China

3、 Abstract:A microchip system with contactless conductivity detection (CCD was manufactured by micro-fabricating technology. A variety of factors affecting output signals such as excitation voltage, excitation frequency and solution concentrations were investigated. The equivalent circuit of the CCD

4、detection cell was simulated using wewb5.0 software. It was found that the experimental and simulation results were in good agreement. The equivalent circuit well represented the electrical characteristics of CCD cell Keywords: Microfluidic chip；contactless conductivity detection cell； equivalent ci

5、rcuit simulation 收稿日期：2011-05-10 基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(No. 20675036 ,山東省自然科學(xué)基金( Y2006B04 作者簡介: 趙蘋(1985 - ,女,山東萊蕪人 碩士研究生, 主要從事毛細(xì)管電泳研究 傅崇崗（1965-）,男 山東聊城人 教授 主要從事微分離技術(shù)研究 微流控芯片是微全分析系統(tǒng)的重要發(fā)展方向 它通過將多個(gè)操作單元集成到厘米級(jí)大小的微小芯片上 達(dá)到對(duì)樣品的自動(dòng)化、集成化分析檢測(cè) 具有分辨率高、成本低、耗樣量少、快速靈敏等優(yōu)點(diǎn) 在基因分析、臨床檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)是近幾年來發(fā)展起來的一種新型檢測(cè)技術(shù) 常用于毛細(xì)

6、管電泳和芯片電泳 它避免了電極與溶液的直接接觸 僅置于分離通道末端的兩側(cè) 將一高頻交流信號(hào)作用在激勵(lì)電極上 電極同分離通道內(nèi)的溶液電容耦合形成閉合回路 由于樣品和緩沖溶液間電導(dǎo)的差別 從而產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào) 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于電極材料多種多樣 而且易于集成 檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡單 易于定位 其外圍檢測(cè)電路設(shè)備簡 單 整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)易微型化2 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器的研究3-7已有十多年的歷史 但國內(nèi)在這方面的研究還剛剛起步 檢測(cè)池結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有顯著影響 常見的檢測(cè)池結(jié)構(gòu)多種多樣 有圓形、矩形和半圓形等 本文在前人工作的基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)制作了一種新型微流控非接觸電導(dǎo)檢測(cè)芯片 利用wewb5.0軟件對(duì)檢測(cè)池的等效電

7、路進(jìn)行了仿真模擬 為下一步優(yōu)化檢測(cè)池的結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ) 1 理論部分 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)8-11（Contactless conductivity detection CCD）的原理同接觸電導(dǎo)檢測(cè)類似 都是對(duì)溶液的電導(dǎo)進(jìn)行測(cè)量 后者避免了電極與溶液的直接接觸 阻止了電極與溶液間的電化學(xué)反應(yīng) 延長了電極的使用壽命 并有效地消除了高壓直流電場的干擾 圖1 兩電極非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器示意圖 Fig.1 Schematic diagram of two electrodes contactless conductivity detector 兩電極非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器見圖1 激勵(lì)源提供高頻正弦激勵(lì)電壓 并施加在激勵(lì)電

8、極上 由于通道管壁的電容耦合作用 溶液中便會(huì)出現(xiàn)高頻電流信號(hào) 其強(qiáng)度與其電導(dǎo)率成正比 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池的等效電路見圖2 圖2 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池的等效電路圖 Fig.2 Equivalent circuit diagram of CCD cell Ci-以絕緣層為介質(zhì)的電容；Cb-以溶液為介質(zhì)的電容；R-溶液的阻抗 當(dāng)待分離物質(zhì)未到達(dá)檢測(cè)池時(shí)： （1） （2） （3） （4） 當(dāng)待分離物質(zhì)到達(dá)檢測(cè)池時(shí)： （5） （6） 式中Rb為分離物質(zhì)未到達(dá)檢測(cè)池時(shí)緩沖液形成的電阻 Rs為分離物質(zhì)經(jīng)過檢測(cè)池時(shí)以其為介質(zhì)形成的電阻 w為有效電極截面的長度和寬 h為兩電極之間的間距 d為玻璃膜絕緣層的厚度 0為真

9、空介電常數(shù) r和b分別為絕緣層和緩沖液的相對(duì)介電常數(shù) s和b分別為分離物質(zhì)和緩沖液的電導(dǎo)率 其中 Gb、Gs分別表示緩沖液和待分離物質(zhì)的電導(dǎo) 故當(dāng)待分離物質(zhì)流經(jīng)檢測(cè)池時(shí)的電導(dǎo)差G為： （7） 由于s和b為定值 由（7）式可知G隨和w的增大而增大 隨h的增大而減小 因此提高檢測(cè)器靈敏度的措施之一就是增大電極的面積 2 試驗(yàn)部分 2.1儀器與試劑 SK 3200LH超聲波清洗器 L3-11-P320馬弗爐 JKG-2A 型光刻機(jī) DZF-6020型真空干燥箱 BF-320A超聲波打孔器 FIA-3100流動(dòng)注射分析儀 XWTD 204自動(dòng)平衡記錄儀 MD-1001微滲析泵 SG 3006勻膠鉻版（

10、鉻層厚度145 nm 光膠類別S-1805 膠厚570 nm） 去鉻液：硝酸鈰 銨-高氯酸-水（5g+1.2ml+30ml）；鉻版玻璃刻蝕液：1 mol·L-1 氫氟酸-1 mol·L-1 氟化銨溶液；顯影液：5g·L-1的氫氧化鈉溶液；1.0×10-1 ? 1.0×10-4mol·L-1的氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液；試劑均為分析純 所用水為三次蒸餾水 2.2 玻璃芯片微通道的制作 玻璃微流控芯片的加工過程包括光掩模設(shè)計(jì)和制作、曝光、顯影、刻蝕和鍵合等步驟 （1）掩膜圖形設(shè)計(jì) 采用繪圖軟件CorelDraw 12.0設(shè)計(jì)掩模圖形（見圖3） 通過分

11、辨率為3600dpi的激光打印機(jī)將其打印在膠片上 用作光掩膜 （2）光刻、顯影 接通光刻機(jī)的電源 待汞燈穩(wěn)定15 min后 將掩膜疊放在勻膠鉻版玻璃上 并用夾具將兩者夾緊 放置在承片臺(tái)的正中位置 分離曝光60 s 經(jīng)曝光的勻膠鉻片在顯影液中顯影 在三次水中清洗后 置于110 烘箱中堅(jiān)膜10 min 置于去鉻液中20 s 去除被曝光的鉻層 在三次水中清洗 后在130 下加熱30 min堅(jiān)膜 （3）濕法刻蝕 將光刻后的玻璃基片放入盛有50 玻璃刻蝕液的塑料器皿中進(jìn)行刻蝕30 min 刻蝕后先用三次水清洗干凈 后在乙醇中去除光刻膠 再在去鉻液中將剩余的鉻層去除 從而得到刻蝕好的玻璃基片 （4）超聲波

12、打孔 高溫鍵合 用超聲波打孔器在玻璃基片相應(yīng)的位置上打完孔后 將加工好的基片和同種型號(hào)的空白玻璃蓋片分別在三次水 無水甲醇 丙酮 雙氧水 三次水中超聲清洗10 min；后放入硫酸-過氧化氫(4+1的混合液中浸泡12 h 三次水清洗后 置于氨水-過氧化氫-水(2+1+5混合液中處理15 min 使鍵合表面水解產(chǎn)生更多的OH基團(tuán) 以便于牢固鍵合 然后用三次水超聲洗滌至中性 放置在三次水中待用 （注意：處理過程中要用潔凈的鑷子移送樣片 禁用手觸 防止污染） 在三次水中將玻璃芯片的基片和蓋片緊密貼合 然后從水中取出 置于大理石石板上 在真空干燥箱中升溫到100 保持2 h 冷卻后轉(zhuǎn)移到馬弗爐中高溫鍵合

13、 鍵合時(shí)高溫爐升溫速率為5 ·min-1 在100 恒溫1h后 以5 ·min-1速率升溫至650 恒溫5 h后自然降溫 制得玻璃微流控芯片 2.3 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池的制作 在鍵合好的微芯片玻璃蓋片上涂覆一層2 mm厚的熱熔石蠟 在離載液廢液池4mm處的石蠟上刻劃出長為25 mm 寬為6 mm的矩形通道 然后使芯片傾斜 用流動(dòng)注射分析儀的蠕動(dòng)泵抽取玻璃刻蝕液 使其沿通道緩慢流下 循環(huán)使用玻璃刻蝕液 刻蝕2 h后 形成一個(gè)深1 mm、寬6.5 mm的凹槽 激勵(lì)電極與接受電極固定凹槽內(nèi) 并分別置于分離通道的兩側(cè)（圖3） 凹槽與載液通道之間留有15 m厚的玻璃膜絕緣層 在兩電極之

14、間橫跨一個(gè)接地鋁電極 以減小激勵(lì)電極與接受電極之間的直接耦合 最后用環(huán) 氧樹脂膠將三個(gè)電極固定在凹槽的相應(yīng)位置 各電極用銅絲作引線 連至非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器相關(guān)端子 圖3 微流控非接觸電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of microfluidic system with CCD 1-載液池； 2-樣品池； 3-樣品液廢液池； 4-載液廢液池； 5-CCD檢測(cè)池 2.4 試驗(yàn)方法 取兩個(gè)直徑均為2 mm的軟橡皮塞 各在其中心打一直徑為0.5 mm的孔 分別將其插入載液池和樣品池內(nèi) 然后將內(nèi)徑0.6 mm、外徑0.8 mm的聚四氟乙烯塑料管的一端插入軟橡皮塞內(nèi) 另一

15、端與微滲析注射器相連接 實(shí)驗(yàn)之前依次用三次水和載液沖洗微通道5 min 設(shè)置滲析泵流量為2.0 l·min-1 先進(jìn)樣3 min 后切換成載液 由于樣品與載液的濃度不同 電導(dǎo)不同 從而產(chǎn)生輸出信號(hào) 該信號(hào)由臺(tái)式自動(dòng)平衡記錄儀記錄 每天實(shí)驗(yàn)完畢通道用三次水充滿 以免堵塞微通道 實(shí)驗(yàn)過程中保持室溫為25 2.5 非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池的仿真模擬方法 選用wewb5.0軟件對(duì)檢測(cè)器的等效電路進(jìn)行仿真模擬 該方法比用電路阻抗函數(shù)式計(jì)算要簡單、快捷、方便 模擬電路圖見圖4 模擬相關(guān)參數(shù)見表1和表2 表1氯化鈉溶液的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)12（25 ） Tab. 1 Conductivity and r

16、elative permittivity of NaCl solution (25） 濃度(mol/L 電導(dǎo)率（-1·m-1） 相對(duì)介電常數(shù)b 1.0×10-1 1.0674 73.341 1.0×10-2 0.11851 73.499 1.0×10-3 0.012374 74.089 1.0×10-4 0.0095767 74.236 檢測(cè)電極長為1 mm 電極寬w為100 m 兩電極之間的距離（即分離通道的寬度）h為150 m 玻璃絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù)r為8 真空介電常數(shù)0為8.85×10-12 F·m-1 將上述值分別

17、代入公式(2和(3 計(jì)算等效電路模型中的電容值Cb和電阻值Rb 結(jié)果見表2 表2非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池等效電路圖的電容值Cb和電阻值Rb Tab. 2 Capacitance Cb and resistance Rb of CCD cell for equivalent circuit diagram 濃度(mol/L 電容Cb（pF） 電阻Rb (k 1.0×10-1 0.4327 1.405 1.0×10-2 0.4336 12.657 1.0×10-3 0.4371 121.222 1.0×10-4 0.4380 156.630 絕緣膜厚度d為15 m

18、玻璃絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù)r為8 將、w、r、0值代入公式（1） 計(jì)算電容值Ci為0.472 pF; 空氣的相對(duì)介電常數(shù)r為1 通過類似計(jì)算得Cw1、Cw2均為0.0295 pF 將所有計(jì)算的參數(shù)輸入圖4進(jìn)行模擬 圖4非接觸電導(dǎo)檢測(cè)池等效電路模擬裝置圖 Fig.4 Simulation device for equivalent circuit of CCD cell 3 結(jié)果與討論 3.1 激勵(lì)電壓的影響 在2 ? 11 V的電壓范圍內(nèi) 考察了激勵(lì)電壓對(duì)輸出信號(hào)的影響 從圖5中可以看出 激勵(lì) 圖5 激勵(lì)電壓對(duì)輸出信號(hào)的影響 Fig.5 Effect of excitation voltage

19、on output signal 激勵(lì)頻率：220 kHz；載液：1.0×10-1mol·L-1氯化鈉溶液；樣品溶液：1. 0×10-2 mol·L-1氯化鈉溶液 電壓越大 產(chǎn)生的輸出信號(hào)越強(qiáng) 但當(dāng)激勵(lì)電壓增加到7 V時(shí) 噪聲和信號(hào)同比增長 繼續(xù)增大激勵(lì)電壓并不能改善信噪比 因此本文激勵(lì)電壓選擇為7 V 3.2 激勵(lì)頻率的影響 在90 ? 440 kHz的頻率范圍內(nèi) 考察了激勵(lì)頻率對(duì)輸出信號(hào)的影響 激勵(lì)頻率對(duì)輸出信號(hào)的影響不僅同檢測(cè)池的幾何尺寸、分離條件有關(guān) 而且還受所用運(yùn)算放大器性能的制約 圖6 激勵(lì)頻率對(duì)輸出信號(hào)的影響 Fig.6 Effect of

20、 excitation frequency on output signal 激勵(lì)電壓：7 V；其它條件同圖5 由圖6知 隨著頻率的增大 輸出信號(hào)是逐漸增大的；但當(dāng)激勵(lì)頻率超220 kHz時(shí) 受運(yùn)算放大器增益的限制 輸出信號(hào)變化緩慢 而且噪聲也變得較為顯著 因此 本文激勵(lì)頻率選擇為220 kHz 3.3 濃度的影響 固定激勵(lì)電壓為7 V 激勵(lì)頻率為220 kHz, 改變不同濃度的樣品液和載液 考察濃度對(duì)輸出信號(hào)的影響 圖7 不同濃度時(shí)輸出信號(hào)與頻率的關(guān)系 Fig.7 The relationship between output signal and frequency with different concentrations 載液：1.0×10-1 mol·L-1氯化鈉溶液；樣品溶液：1.0×10-2mol·L-1氯化鈉溶液；載液：1.0×1