微流控光学芯片中新型液体驱动技术

激光与光电子学进展47,091302(2010)

L a ser &Opt oe l e ct ro nics P ro gress 2010 中国激光 杂志社

do i:10.3788/L OP 47.091302微流控光学芯片中新型液体驱动技术

万 静 梁忠诚

(南京邮电大学光电工程学院,微流控光学中心,江苏南京210003)

摘要 微流控光学芯片具有微型化、集成化、可调化的优势,其应用中常碰到的技术瓶颈是液体驱动技术。微量液

体具有与大块液体不同的性质,利用其微观特性可发展新型液体驱动技术,该技术有利于微流控光学芯片的微型

化、集成化及使用的灵活性。阐述了几种利用表面张力、热蒸汽、光压、M arang oni 对流、磁场以及液体与电磁相互

作用等驱动微液体的新型技术。

关键词 微流控光学;液体驱动;表面张力;热;光;对流;磁场

中图分类号 T N 246;O43 OC IS 130.3990140.7010130.6622 文献标识码 A

New Techniques of Optofluidic Chip on Actuation of Liquid

Wan Jing Liang Zhongcheng

(Cent er for Opt oflu idic T echn ology ,Phot oelect r ic En gin eer in g College ,Na njin g U niv er sity of P ost s a nd

T elecomm u nica tion s ,Na njin g ,Jia n gsu 210003,Chin a )

Abstract Optofluidics chips have the advant a ges of miniaturization,integration,and reconfigurabilit y.The

technique on actuation of liquid often becomes the bottleneck in the research of optofluidics.The property of minim

liquid is different from that of bulk liquid,so new techniques on actuation of liquid using microcosmic cha racteristics

a re researched.They are more miniaturizing,integrating and flexible than the ma cro techniques.Some new

techniques by using surface tension,heat,ra diation pressure,Marangoni convection,magnetic field,and the

intera ction between liquid and electromagnetism on actuation of liquid of optofluidic chips are desc ribed.

Key wo rds optofluidics;actuation of liquid;surface tension;heat;light;convection;magnetic field

收稿日期:2009 11 19;收到修改稿日期:2010 04 08

基金项目:国家自然科学基金(60878037)和南京邮电大学基金(NY 208002)资助课题。

作者简介:万 静(1971!),女,副教授,主要从事光电子学,工程光学和教学等方面的研究。E mail:wanj 00@

1 引 言

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化等现代光学技术发展需要,新兴的微流控光学芯片则为满足这些需要提供了可能。微流控光学是光学与微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科[1],它利用微/纳升液体的独特属性来创建可调的光学系统,且各部件可集成在同一芯片上实现系统的微型化[2~3],其中液体的驱动方式是微流控光学芯片中的关键技术,也是微流体控制的前提、基础和瓶颈。

微量液体具有与大块液体不同的性质,利用其微观特性可发展新型液体驱动技术。与压电、气动力、电渗流等[4]传统液体驱动技术相比,这些新型液体驱动技术由于采用非机械方式,更有利于小型化、集成化和使用的灵活性。本文阐述了几种利用表面张力、热蒸汽、光压、Marangoni 对流、磁场和液体与电磁相互作用等驱动微液体的新型技术。

2 微流控光学芯片中新型液体驱动方式

2.1 表面张力驱动

当液体体积小到微/纳升量级时,表面积-体积比增大,表面张力对液体的作用变得明显,若通过化学或

物理的方法,在管道中形成特定的表面张力梯度,就可以驱动微液体运动。化学方法是通过化学手段制成对液滴具有不同润湿特性的图案,液滴不同部位润湿特性不同,因而形成表面张力梯度,从而驱动液滴按预定通道运动。物理方法可通过电、热、光方式改变液体表面润湿特性,形成表面张力梯度,驱动微液体运动。

在电致表面张力驱动方式中,介质上电润湿法[5~9](EWO D)被认为是最具发展前途的驱动机制。EWOD 驱动器通常采用∀三明治#结构,受控液滴被夹在上、下两极板之间。上极板由透明玻璃、透明电极和疏水薄膜组成;下极板由衬底、微电极阵列、介质层和疏水层构成;两极板之间用小垫块支起,液滴被夹在图1EWOD 法结构Fig.1EWOD structure 两极板之间,周围填充物质可以是空气或硅油,如图1

所示[10]。EWOD 通过在液滴一侧下面的微电极上施加

电压来改变介质膜与液体一侧表面的润湿特性,即通过

局部改变液滴和固体表面的三相接触角,造成液滴两端

不对称形变,产生表面张力差,从而驱动液滴。此种方

式,液滴速度可达每秒几十至几百毫米量级。EWOD 驱

动器具有表面电化学不活泼、功耗低和响应速度快等优

点。EWO D 可实现微液滴的产生、输运、融合和分割这四

个基本操作的一体化和自动化[10,11]。

此外,有人利用电化学方法控制表面活化分子的浓度,进而改变表面张力的梯度,在4mm 宽的管道上用400mV 电压产生2.5mm/s 的速度[12]。该驱动方法可应用于微化学反应器或微化学分析。

通过在微液滴两侧产生温度梯度也能形成表面张力梯度,从而驱动液体运动,这称为热毛细效应驱动法。产生温度梯度的方法可采用电极加热或利用光热等。例如美国佐治亚理工学院的光热方法[13],如图2所示。他们首先通过光调制在基底平面上形成一定的光强分布图样,基底材料因吸收光而温度上升,形成相应的热差分布,从而使基底上方液体与基底材料间的表面张力产生梯度变化,通过热毛细效应使纳升量级的图2利用热毛细效应的光驱动示意图Fig.2Schematic illustration of microflow that is optica lly driven by therm oc apillary effect 液体从热(亮)区域流向冷(暗)区域。这种方法不需刻蚀

流体管道而且可以同时在多个区域驱动多个液滴或整块

液体,或者分离、融合液体。由于温度梯度是由计算机控

制的光调制图样形成的,因而液滴运动路径可快速变换,

且能动态控制,这是一般微流控技术做不到的,而且流速

高于渠道中的热毛细效应驱动的流体。此外,此种技术

更有利于芯片小型化,基底更容易清洁。

此外,利用光来改变液体与光敏材料覆盖的固体支

撑面间的润湿效果,从而形成表面张力梯度来驱动液体。光敏材料有光电导材料和光致变色材料等。

图3光电润湿驱动原理Fig.3Principle of optoelectrowetting

将光电导材料应用于EWOD 驱动法,可提高使用的

灵活性,并有助于微流控光学芯片的小型化。这种光电

润湿法基本原理类似于EWOD 驱动,不同点在于多加了

一层光电导材料,电极阵列上的众多电线被撤去,由光控

制驱动,且施加交变电压,如图3所示[9]。没有光照时,

电压降主要施加在光电导层;有光照时,光电导材料层电

导率呈几个数量级增加,电阻变得很小,此时电压降主要

施加于介质层,介质层电压增加使液滴一侧接触角减小,

液滴两侧产生表面张力差,从而驱动微液滴运动。光向

前平移将带动液滴前进。此方法克服了电润湿驱动技术

中电极阵列的众多电线对芯片小型化的障碍。美国加利福尼亚大学的研究人员通过这种方法使用4mW 的激光使2mm 直径的液滴驱动速度达7mm/s [14~16]。

利用光致变色材料在不同光照射下润湿特性不同的特点也可驱动液体。如图4(a),可见光与紫外(UV)