微流控非接觸電導檢測芯片的設計與模擬

1、本人精心整理的文檔,文檔來自網絡 本人僅收藏整理 如有錯誤 還請自己查證！ 微流控非接觸電導檢測芯片的設計與模擬 趙蘋1 傅崇崗1* 王立新2 （1.聊城大學 化學化工學院 聊城252059；2.聊城大學 傳媒技術學院 聊城252059） 摘要：采用微加工技術制作了微芯片非接觸電導檢測系統(tǒng) 考察了激勵電壓、激勵頻率、濃度對輸出信號的影響 采用wewb5.0軟件對檢測池的模擬電路進行了仿真模擬 通過比較實驗和模擬結果 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檢測池的電氣特性 關鍵詞：微流控芯片；非接觸電導檢測池；等效電路模擬 中圖分類號：O657. 8 文獻標識碼：A 文章編

2、號： 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 基金項目: 國家自然科學基金(No. 20675036 ,山東省自然科學基金( 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 它通過將多個操作單元集成到厘米級大小的微小芯片上 達到對樣品的自動化、集成化分析檢測 具有分辨率高、成本低、耗樣量少、快速靈敏等優(yōu)點 在基因分析、臨床檢測等領域得到了廣泛應用1 非接觸電導檢測是近幾年來發(fā)展起來的一種新型檢測技術 常用于毛細

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 將一高頻交流信號作用在激勵電極上 電極同分離通道內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的差別 從而產生響應信號 非接觸電導檢測器的優(yōu)點在于電極材料多種多樣 而且易于集成 檢測器結構簡單 易于定位 其外圍檢測電路設備簡 單 整個檢測系統(tǒng)易微型化2 非接觸電導檢測器的研究3-7已有十多年的歷史 但國內在這方面的研究還剛剛起步 檢測池結構對其性能有顯著影響 常見的檢測池結構多種多樣 有圓形、矩形和半圓形等 本文在前人工作的基礎上 設計制作了一種新型微流控非接觸電導檢測芯片 利用wewb5.0軟件對檢測池的等效電

7、路進行了仿真模擬 為下一步優(yōu)化檢測池的結構奠定基礎 1 理論部分 非接觸電導檢測8-11（Contactless conductivity detection CCD）的原理同接觸電導檢測類似 都是對溶液的電導進行測量 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反應 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 兩電極非接觸電導檢測器示意圖 Fig.1 Schematic diagram of two electrodes contactless conductivity detector 兩電極非接觸電導檢測器見圖1 激勵源提供高頻正弦激勵電壓 并施加在激勵電

8、極上 由于通道管壁的電容耦合作用 溶液中便會出現(xiàn)高頻電流信號 其強度與其電導率成正比 非接觸電導檢測池的等效電路見圖2 圖2 非接觸電導檢測池的等效電路圖 Fig.2 Equivalent circuit diagram of CCD cell Ci-以絕緣層為介質的電容；Cb-以溶液為介質的電容；R-溶液的阻抗 當待分離物質未到達檢測池時： （1） （2） （3） （4） 當待分離物質到達檢測池時： （5） （6） 式中Rb為分離物質未到達檢測池時緩沖液形成的電阻 Rs為分離物質經過檢測池時以其為介質形成的電阻 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 r和b分別為絕緣層和緩沖液的相對介電常數 s和b分別為分離物質和緩沖液的電導率 其中 Gb、Gs分別表示緩沖液和待分離物質的電導 故當待分離物質流經檢測池時的電導差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 因此提高檢測器靈敏度的措施之一就是增大電極的面積 2 試驗部分 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 DZF-6020型真空干燥箱 BF-320A超聲波打孔器 FIA-3100流動注射分析儀 XWTD 204自動平衡記錄儀 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的氯化鈉標準溶液；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計和制作、曝光、顯影、刻蝕和鍵合等步驟 （1）掩膜圖形設計 采用繪圖軟件CorelDraw 12.0設計掩模圖形（見圖3） 通過分

11、辨率為3600dpi的激光打印機將其打印在膠片上 用作光掩膜 （2）光刻、顯影 接通光刻機的電源 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 放置在承片臺的正中位置 分離曝光60 s 經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的位置上打完孔后 將加工好的基片和同種型號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 使鍵合表面水解產生更多的OH基團 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 冷卻后轉移到馬弗爐中高溫鍵合

13、 鍵合時高溫爐升溫速率為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 非接觸電導檢測池的制作 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 用流動注射分析儀的蠕動泵抽取玻璃刻蝕液 使其沿通道緩慢流下 循環(huán)使用玻璃刻蝕液 刻蝕2 h后 形成一個深1 mm、寬6.5 mm的凹槽 激勵電極與接受電極固定凹槽內 并分別置于分離通道的兩側（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、間橫跨一個接地鋁電極 以減小激勵電極與接受電極之間的直接耦合 最后用環(huán) 氧樹脂膠將三個電極固定在凹槽的相應位置 各電極用銅絲作引線 連至非接觸電導檢測器相關端子 圖3 微流控非接觸電導檢測系統(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檢測池 2.4 試驗方法 取兩個直徑均為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 然后將內徑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 另一

15、端與微滲析注射器相連接 實驗之前依次用三次水和載液沖洗微通道5 min 設置滲析泵流量為2.0 l·min-1 先進樣3 min 后切換成載液 由于樣品與載液的濃度不同 電導不同 從而產生輸出信號 該信號由臺式自動平衡記錄儀記錄 每天實驗完畢通道用三次水充滿 以免堵塞微通道 實驗過程中保持室溫為25 2.5 非接觸電導檢測池的仿真模擬方法 選用wewb5.0軟件對檢測器的等效電路進行仿真模擬 該方法比用電路阻抗函數式計算要簡單、快捷、方便 模擬電路圖見圖4 模擬相關參數見表1和表2 表1氯化鈉溶液的電導率和相對介電常數12（25 ） Tab. 1 Conductivity and r

16、elative permittivity of NaCl solution (25） 濃度(mol/L 電導率（-1·m-1） 相對介電常數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 玻璃絕緣膜的相對介電常數r為8 真空介電常數0為8.85×10-12 F·m-1 將上述值分別

17、代入公式(2和(3 計算等效電路模型中的電容值Cb和電阻值Rb 結果見表2 表2非接觸電導檢測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、玻璃絕緣膜的相對介電常數r為8 將、w、r、0值代入公式（1） 計算電容值Ci為0.472 pF; 空氣的相對介電常數r為1 通過類似計算得Cw1、Cw2均為0.0295 pF 將所有計算的參數輸入圖4進行模擬 圖4非接觸電導檢測池等效電路模擬裝置圖 Fig.4 Simulation device for equivalent circuit of CCD cell 3 結果與討論 3.1 激勵電壓的影響 在2 ? 11 V的電壓范圍內 考察了激勵電壓對輸出信號的影響 從圖5中可以看出 激勵 圖5 激勵電壓對輸出信號的影響 Fig.5 Effect of excitation voltage

19、on output signal 激勵頻率：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 產生的輸出信號越強 但當激勵電壓增加到7 V時 噪聲和信號同比增長 繼續(xù)增大激勵電壓并不能改善信噪比 因此本文激勵電壓選擇為7 V 3.2 激勵頻率的影響 在90 ? 440 kHz的頻率范圍內 考察了激勵頻率對輸出信號的影響 激勵頻率對輸出信號的影響不僅同檢測池的幾何尺寸、分離條件有關 而且還受所用運算放大器性能的制約 圖6 激勵頻率對輸出信號的影響 Fig.6 Effect of

20、 excitation frequency on output signal 激勵電壓：7 V；其它條件同圖5 由圖6知 隨著頻率的增大 輸出信號是逐漸增大的；但當激勵頻率超220 kHz時 受運算放大器增益的限制 輸出信號變化緩慢 而且噪聲也變得較為顯著 因此 本文激勵頻率選擇為220 kHz 3.3 濃度的影響 固定激勵電壓為7 V 激勵頻率為220 kHz, 改變不同濃度的樣品液和載液 考察濃度對輸出信號的影響 圖7 不同濃度時輸出信號與頻率的關系 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