第微流控芯片原理綜述1.1電潤濕原理電潤濕（EWOD）效應(yīng)已被定義為“由于固體和電解質(zhì)之間施加的電勢差引起的固體-電解質(zhì)接觸角的變化”[4]。電潤濕現(xiàn)象是通過施加交流電壓驅(qū)動液滴實現(xiàn)的。電解質(zhì)液滴邊緣電場趨于將小滴向下拉到電極上，從而降低了宏觀接觸角并增加了液滴的接觸面積[4]。如果對嵌入式電極的陣列進行構(gòu)圖，則當通過控制嵌入式電極陣列的一部分來激活液滴基體的部分區(qū)域時，液滴可以移動到激活區(qū)域。然后可以使用EWOD設(shè)備操作液滴以進行分配，運輸，分裂，合并和混合。理想的介質(zhì)層可以阻止電極與電解液之間的電荷交換，在電壓驅(qū)動下，導致接觸面電荷的再分布，接觸角發(fā)生變化，液滴所受驅(qū)動力也變得更大。介質(zhì)層隔離了電解液與電極，起到了屏蔽雙電層等效電容影響的作用。圖1-1介電潤濕原理圖1.2Young方程由于接觸面模型在微觀上十分復雜，分子間作用力起到重要作用，液滴在接觸面上的受力依賴于接觸角。接觸角是在界面處經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角叫接觸角[5]，以θ表示。接觸角取決于液體自由表面上方的介質(zhì)，以及液體和固體接觸的性質(zhì)。它與固體相對于液體表面的傾斜度無關(guān)。它隨表面張力變化，因此隨液體的溫度和純度變化。它通過Young方程來解釋介電層上液滴的微觀電潤濕情況。如圖1-2所示，液滴在這三個力的作用下保持平衡狀態(tài)，即合力為0。該方程是由托馬斯·楊在1804年提出，命名為潤濕角楊氏方程（公式1-1）。圖1-2液滴受力分析圖γlg其中γlg是液體與氣體界面的表面張力，γsl是液體與固體界面的表面張力，γsg是固體與氣體界面的表面張力，θ為接觸角。接觸角θ是判定潤濕性程度的依據(jù)。且θ越小.潤濕性越好[6]。1.3表面張力表面張力是使靜止的液體表面收縮到可能的最小表面積的趨勢[1]。表面張力可以使一些物體在水面上漂浮和滑動而不會被部分淹沒。以微觀角度分析，如圖1-3所示，在液-氣界面，表面張力是由液體分子相互之間的吸引力（由于內(nèi)聚力）比空氣中的分子（由于粘附）引起的。有兩個受力趨勢在起作用。F1是平行于液體表面的切向力。這種切向力（每單位長度）通常稱為表面張力。F2是在表面分子上的向內(nèi)力，導致液體收縮。表面張力影響液滴的形狀。液滴盡管容易變形，但是由于表面層的內(nèi)聚力的不平衡，水滴傾向于被拉成球形。在沒有其他力的情況下，液滴形狀幾乎都是球形的。圖1-3表面張力分析對于表面較大的物體，表面張力相較于其他的力可以忽略。但當物體很小時，表面張力將成為重點受力分析對象。以液滴為例，其受到的表面張力見公式(1-2)，其中γ為表面張力系數(shù)，單位為N/m。所受重力見公式(1-3)，ρ為液體密度，g為重力加速度。當表面張力與重力相等時即可得出液體的臨界半徑r，見公式(1-4)。以水為例，其表面張力系數(shù)為72.8N/m,計算可得臨界半徑為3.34mm。對于本文研究的體積為μL量級的微液滴而言，表面張力是主要的驅(qū)動力。利用液體表面各處的表面張力的變化，來改變接觸角，例如液滴右邊界表面張力小于左邊界的表面張力，則液滴右邊界與氣體、固體界面形成的接觸角小于左邊界的接觸角，即液滴左邊界相對于右邊界而言表現(xiàn)出更加明顯的疏水性，液滴將向右運動，即液滴的移動方向與表面張力減小的方向一致。既當兩邊存在張力差時，液滴開始移動。F=2πrγ（1-2）G=43R=3r表面張力與液體種類，濃度，溫度等因素有關(guān)。圖1-4為不同液體的表面張力。圖1-4不同液體的表面張力。 根據(jù)不同物質(zhì)的表面張力的性質(zhì)各不相同，使表面張力可應(yīng)用于材料，醫(yī)療，洗滌劑等諸多方面。1.4微流控芯片結(jié)構(gòu)微流控芯片可實現(xiàn)化學或生物樣品的制備、反應(yīng)、分離、檢測等功能，并將實驗所需功能元件集成在同一個芯片上。微流控芯片使設(shè)計和反應(yīng)過程在芯片各個相連的路徑與功能模塊之間進行。實驗用反應(yīng)液和反應(yīng)物生成完畢后，通過納米級機械泵、和電滲流等方法將反應(yīng)液驅(qū)動到各個功能模塊，形成微流路。從而實現(xiàn)在一片芯片上進行一步或多步實驗操作。EWOD芯片面積一般約為幾平方厘米。通過對液滴進行驅(qū)動是EWOD芯片區(qū)別與微陣列芯片的最明顯區(qū)別。所以EWOD芯片也被稱為主動式芯片。微流路系統(tǒng)是微全分析系統(tǒng)中常用的用于進行化學反應(yīng)操作功能的模塊。微型反應(yīng)器便是基于這個系統(tǒng)制作的。圖1-5微型反應(yīng)器傳統(tǒng)的微流控芯片芯片由基底，介電層，疏水層三層結(jié)構(gòu)組成。要選用具有絕緣性好，且可用于進行光學實驗的材料來制作基底。并且有一定的導熱性。有一定空間能容納一些基本結(jié)構(gòu)，抗噪聲能力強;在微全分析系統(tǒng)的模塊之間能進行實驗操作的時候，不與其發(fā)生反應(yīng)?；姿夭挠晒杵M化到玻璃，二氧化硅，高分子聚合物等。介電層的制作一般采用光刻和蝕刻技術(shù)。介質(zhì)層的存在正是為了減小驅(qū)動電壓對酶等活性反應(yīng)試劑的破壞。為了降低驅(qū)動電壓則需采用具有高介電常數(shù)的介質(zhì)層。所以目前科學家致力于尋找高介電常數(shù)的介質(zhì)層。除了介質(zhì)層之外，疏水層也是基于介電潤濕原理芯片的另一重要結(jié)構(gòu)。疏水層可以降低對液滴的阻力，使得液滴更易被驅(qū)動。普通的微流控芯片是在介質(zhì)層的基礎(chǔ)上制作疏水層。圖1-6微流控芯片結(jié)構(gòu)目前EWOD芯片主要分為兩種類，一種是基于連續(xù)流體的微流控芯片[7]，該芯片以連續(xù)流體進行基本操作，采用硅和高分子聚合物搭建微流道系統(tǒng)。但是連續(xù)流體在較小的通道內(nèi)會受到黏性阻力的干擾,部分流體將吸附在微通道壁上。造成一定的實驗誤差。此外在微流道系統(tǒng)中反應(yīng)試劑的移動，反應(yīng)時間和反應(yīng)程度也難以控制，還需在未來繼續(xù)研究?，F(xiàn)在微機電系統(tǒng)在微流控芯片的應(yīng)用成功解決了一些問題。但是MEMS的應(yīng)用也提高了微電子工藝設(shè)計的門檻,所以EWOD芯片的發(fā)展較為緩慢。此外基于連續(xù)流體的EWOD芯片只能實現(xiàn)串行化工作，效率低。第二種是基于單液滴的數(shù)字微流控芯片[7]，也是本文的主要研究方向。與第一種不同的是，該研究是基于單個離散液滴控制的實驗?？蓪崿F(xiàn)