微通道交流电渗粒子收集位置的确定_敖宏瑞

微通道交流电渗粒子收集位置的确定敖宏瑞,姜洪源,杨胡坤(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001)摘要:为了研究在交变电场作用下,样品中的微观粒子被收集到电极表面固定区域的作用机理,通过聚苯乙烯粒子在微通道内的收集实验,得到了粒子及流体的运动规律;基于交流电场作用机理,对电极表面的电势、通道内的电压、电场分布及流体在通道内的流动过程进行了计算,并用仿真分析进行验证。

计算及仿真结果表明,粒子在微电极上的收集位置与实验结果十分吻合,即粒子收集的位置为电极上的固定位置。

研究结果为交流电渗粒子收集微通道的设计及相关的粒子收集检测提供了理论与实验基础。

关键词:交流电渗;粒子收集;微通道;数值仿真;极化中图分类号:O361.4 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2009)02-0099-05Determination of the Accumulated Location of Microparticles Collected by AC Electroosmosis in the MicrochannelAo H ongrui,Jiang H ong yuan,Yang H ukun(School of M echatronics Eng ineer ing,H arbin I nstitute of T echnology,H ar bin150001,China)Abstract:The po lysty rene micropar ticle samples driven by AC electroo smo sis(A CEO)in a micro channel w as tested and simulated in order to study the pheno mena that the micropar ticles have accumulated at fixed r eg io n in the electrodes in m icrochannels in AC field.The motion of micro particles w as o bserv ed and measured w ith the image processing metho d.Based on the mechanism o f AC field,the voltage at the sur face o f electro de,the distr ibutio n o f v oltage and electric field,and the velocity field of ACEO in the m icrochannel w ere calculated theo retically and verified by the simulation.T he calculatio n and simulatio n r esults of the positio n o f the microparticles in the microchannel show the good agreement w ith the experimental ones.T hat is,the particles are accumulated at the position of electrode surface with a certain distance to the border of the electrode.These results are beneficial to the design of microchannels for the microparticle collection caused by ACEO and the measurement of the microparticles collection technology.Key words:AC electroo smo sis(ACEO);micropar ticle co llectio n;m icrochannel;num er ical simulatio n;po lar izationEEACC:2575D0 引 言近年来,为预防传染性疾病而进行的关于水、食物和临床样品中低浓度病原体的检测及控制技术,引起了人们极大的重视[1]。

为实现将有限的病原菌迅速收集到某一个位置并达到相应的可检测水收稿日期:2008-09-19E mail:hongru i_ao@M EM S器件与技术M EM S Device&T echnolo gy平,提高疾病确诊治疗的效率,对微型生物粒子的操控提出了更高的要求。

资料表明,尽管可以借助机械、化学、光学或者磁学方法来实现粒子控制与收集,但是由于这些方法的局限性[2-3],限制了它们的有效应用。

而基于电场机制的控制方法,如电泳、介电泳和交流电渗等,可以有效地实现生物学领域DN A 、蛋白质、细胞等微米或者纳米级的粒子收集与控制[4]。

同时,随着MEM S 微加工技术的不断发展,微纳米级电极更容易集成到微流体器件上[5]。

与电泳及介电泳相比,利用交流电渗技术实现粒子收集,不仅不受粒子大小和电场梯度的影响,更适于纳米级粒子的控制;并且因为工作电压幅值低,不容易产生气泡[6-7]等,使得交流电渗有了更广泛的应用空间。

1998年A.Ramos 等人[8]首先提出交流电渗的概念,试图改变电极形状来增强电场强度,以控制微米级以下的粒子。

但是,交流信号具有对称性,流体的流动不是定向的,而是在微电极表面产生稳定的漩涡,L.H.Olesen 等人[9]利用不同的理论模型解释了这种液体流动现象。

2003年加利福尼亚大学[10]研究出了微生物处理器,并通过实验证明可以利用交流电渗收集到DNA 分子。

2006年加利福尼亚圣巴巴拉大学的微流体实验室[11]使用一组Ti 电极将10nm 的微粒子收集到电极表面。

这些研究从理论与实验角度对交流电渗的作用机理及应用奠定了坚实的基础。

实验研究发现,在交流电渗作用下,微粒能在电极表面收集成线状分布。

基于这些研究结果,本文通过理论分析确定了在粒子收集过程中电极有效作用区域的位置,并进行了仿真验证。

本研究为芯片实验室的设计与制造提供了理论及实验依据。

1 交流电渗粒子收集实验在研究中,利用交流电渗原理对密封微室内的聚苯乙烯微粒进行了收集。

实验条件为:密封微室的基底材质为Si,内腔高度为300 m;采用平行板微电极,电极材料为90nm 厚的Au 层,通过IC 加工工艺,通过10nm 厚的T i 层与基底Si 粘结在一起;电极长2mm 、宽15 m,两相邻电极间距为10 m,如图1所示;待采集的粒子为直径0.5 m 的聚苯乙烯荧光颗粒,置于去离子水中。

图1 对称微电极示意图Fig.1 Sch eme of symmetric m icro electrodes进行粒子收集采集实验时,采用CCD 摄像头通过电子显微镜记录在不同情况下粒子在微室内的运动情况。

显微镜的物镜观察方向与电极平面垂直,可以对微通道内不同平面上的流体流速进行测量分析。

实验时,在芯片工作部分盖上用PDM S 制作的微通道,注入混有荧光粒子被驱动溶液,再用一盖玻片盖住微通道,输入驱动信号并进行实验观察。

分析微通道内微流体的流动状态过程如下:通过荧光显微镜上的CCD 相机记录微流体流动状态,然后对视频进行处理生成各帧图片。

利用采集到的图片及相机的放大倍数,即可计算出粒子在微室内的位置和速度。

图2为微室内的粒子分布情况。

由图2(a)可以看出,当无外界电压输入时,图2 微粒收集积聚位置Fig.2 Accum ulated position of th e micro particles敖宏瑞等:微通道交流电渗粒子收集位置的确定微粒在微通道溶液中的位置呈现随机分布。

在电极上施加幅值为1V、频率为700H z的交流电压,经过15s后,由于交流电场的作用,大部分微粒发生定向偏移,并在微电极表面外侧形成带状聚集,如图2(b)所示。

在图片中测量并计算粒子在微电极上的收集位置,发现粒子收集在距离电极内侧边缘约10的位置。

为了解释这种交流电渗中粒子在特定位置产生聚集的现象,本文利用交流电渗理论对该现象进行了分析,并利用仿真进行了验证。

2 交流电渗与粒子收集理论2.1 交流电渗任何带电表面和溶液接触都能产生双电层。

在交流电渗中,由于电极极化而产生的感应电荷而在电极表面形成双电层,它随着输入信号的强弱和方向的变化而变化[12]。

当电荷在电极和电解质溶液界面上聚集时,双电层上的电荷可近似地认为是一个电荷密度非均匀分布的电容。

电势经过这个电容,其值从电极表面的最大值按指数递减。

若不考虑电极处发生的化学反应,施加电势经过充电电容时受电极极化影响而被降低,即在溶液中的电势降仅仅是施加电势的一部分。

图3是一对对称电极芯片结构简图。

在电极上施加 V0cos( t),电压幅值为V0,角频率 =2f,其中f为输入信号频率,则在电解质溶液中形成电场E,并在电极表面形成致密的感应电荷层,称为斯特恩层(Ster n 层,斯特恩为美国物理学家),在其外侧为扩散层,这两层就组成了交流电渗的双电层电容。

扩散层中电荷在切向电场E t的作用下,受到一个向外的库仑力F q作用,使带电离子发生定向迁移,同时由于溶液的黏性,拖动液体做定向移动,形成电渗流。

考虑如图3的左侧电极,在输入信号的第一个1/4周期内,电极上施加的电压为正,电极表面感应的电荷为负电荷。

切向电场E t作用在负电荷上,受库仑力F q的作用,负离子向左发生定向迁移,形成向左移动的电渗流。

同理,右侧电极上的感应电荷受到向右的库仑力的作用,形成向右的电渗流。

当输入信号进入下一个1/4周期时,电场方向发生了改变,但此时电极表面感应电荷的符号也发生了改变,因此电荷受到的库仑力的方向没有发生改变,两电极上产生的电渗流方向依然相反。

综合考虑在一个信号周期内,在对称电极芯片的表面上能产生稳定的局部旋涡。

图3 交流电渗电极极化原理Fig.3 Scheme of th e polariz ation at AC electroosmosis建立如图4所示的x oy坐标系,原点为对称微电极间隙的中点。

把微通道中的溶液看作是连续的阻抗,双电层看作容抗。

将微通道微分若干半圆形电阻线,每根电阻线的宽度为!x。

因此交流电渗等效电路可以简化为由溶液电阻!R和两端的对称双电层电容!C串联而成。

溶液的电阻为!R=x/(∀d!x)(1)式中:∀是溶液的电导率;d是微电极的长度。