摘要
介绍了一种声操控型微流控芯片的加工方法与测试技术。首先，基于声操控型微流控芯片的工作原理和功能需求设计了硬质微流控芯片的基本结构，采用激光切割方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，简称PMMA）材质开放边界微流道的加工，采用数控加工（computerized numerical control，简称CNC）精雕方法实现了封闭边界微流道的加工，通过光固化型（ultra violet，简称UV）胶实现了硬质微流道与基板的室温封接，利用表面改性技术与毛细作用实现了芯片的无泵进样；其次，研究了不同加工工艺、工艺参数对微流道形貌的影响；最后，依据声操控微颗粒需求，综合仿真分析、阻抗测试及多普勒激光测振，选定了声操控型微流控芯片的工作频率，实现了微纳物体运动控制。该微流控芯片具有成本低、加工效率高及易于调整微流道结构的优点，在微纳操控、微纳制造和生化检测方面拥有广阔的应用前景。
微流控芯片技术能够在微小平台上灵活组合和集成多种检测单
在众多微纳物体操控的物理场中，超声场具有易于构建和调控的优点，并且驱动系统高度集成，利于系统的微型化，也便于结合人工智能技术，实现系统的自动化与智能化。微纳物体在声场中受到声辐射力和声流的作用产生运动，通过声场的调控可便捷地调控微纳物体的运动轨迹和微纳集群的运动模式。Collins
笔者基于声操控型微流控芯片的基本结构和功能需求，设计了具有2个进样口和1个微纳物体操控区的微流控芯片。选用了石英玻璃基板和PZT‑8型压电陶瓷换能器，采用激光烧蚀技术在PMMA板上加工出具有开放边界的微流道，分析了这一加工方式生产的微流道表面形貌，研究了激光加工功率与微流道尺寸的关系，探讨了这一加工工艺中常见的加工缺陷。采用CNC精密雕刻方法加工了封闭边界微流道，研究了用机加工方法制造有机聚合物材料微流道的工艺，并与激光加工的微流道进行了比较。利用紫外光UV胶实现微流道与基板的室温下不可逆接合，密封效果良好，封接牢固持久。通过微流道内部的表面改性，利用毛细作用实现微流控芯片的无泵进样。基于阻抗特性测量和幅频响应曲线测定，提出了此类声操控型微流控芯片的性能评价方法。该方法降低了微流道加工成本，简化了工艺流程，归纳了声操控型微流控芯片的一般测试方法，为微流控芯片的规模化生产和广泛应用奠定了基础。
声操控型微流控芯片基本结构如
图1 声操控型微流控芯片基本结构
Fig.1 Acoustic microfluid chip prototype and its basic structure
| 类别 | 材质 | 参数 |
|---|---|---|
| 换能器 | PZT‑8 | L1=20, W1=5, t1=0.5 |
| 基板 | 石英玻璃 | L2=15, W2=25, t2=0.5 |
| 微流道 | PMMA | L3=15, W3=20, t3=0.3 |
声操控型微流控芯片上划分有2个进样口，用于滴加包含有微纳颗粒的液体样品；1个工作区用于操控微纳物体的运动，利用超声操控微纳组装、微纳物体运输及检测等。样品从进样口滴入时由于毛细作用，能够自动流入声操控微纳物体区域，在微流道表面亲水处理后，仅需2 s样品就能充满工作区，这一进样方式无需使用蠕动泵等进样仪器，简化了微流控芯片驱动系统的组成。
进样后，利用超声振动驱动微流控芯片工作。首先，使用信号发生器产生超声频率的正弦交流信号，由功率放大器将信号放大后直接驱动压电陶瓷换能器的振动；其次，利用微流控芯片谐振时基板的振动在微流道内的液体环境中构建声流场，驱动微流道中液体样品及样品中所含微纳物体的定向运动。所述新型工作原理免除了对多通道压力泵的依赖，与传统微流控芯片相比，具有外设机构简单、驱动精度高的特点，但仍无法实现大流量液体的驱动。
基于声操控型微流控芯片的基本结构和微通道的“Y”型基本形状，笔者选用了PMMA板料用于加工硬质微流道。有机聚合物材料PMMA具有良好的化学稳定性和生物相容性，适用于制作微流控芯片。相较于硅片、石英等用于制备微流控芯片的无机材
笔者所用激光烧蚀与机械切削方法摆脱了对模板的依赖，能够加工较深的封闭边界微流道乃至切透PMMA板料加工出开放边界微流道。激光烧蚀过程中PMMA材料表面发生复杂的物理化学反应，也可能对其表面性质产生影响，如超短脉冲飞秒激光烧蚀能够使PMMA表面由疏水变为亲水，增强液体样品在微流道中的毛细作用。
激光加工的微流道如
图2 激光加工的微流道
Fig.2 Laser carved microchannel
图3 激光功率对微通道尺寸的影响
Fig.3 Influence of laser power on the size of microchannel
PMMA材料在激光切割时的熔化也使微流道轮廓边缘形成了略微凸起的型状，微流道表面形貌如
图4 微流道表面形貌
Fig.4 Surface topography of the microchannel
机械切削方法在有机聚合物微细结构快速成型方面有着广泛的应用和独特的优势。由于激光加工过程中存在PMMA熔化的问题，微流道一侧表面存在微观凸起。不同于开放边界微流道，在封闭边界微流控芯片制备时，微流道开口一侧直接与玻璃基板接合，这种表面的凸起量反而会影响微流道的键合效果，此时更适合采用机加工，以减少PMMA微流道表面的微观隆起高度，便于微流道与玻璃基板的封接。选用0.5~1 mm 厚的PMMA板，利用CNC精雕加工的微流道如
图5 CNC精雕加工的微流道
Fig.5 CNC carved microchannel
在微流控芯片中，由于微通道尺寸与圆形进样口、工作区尺寸差距较大，为提高加工效率，在微流道雕刻过程中选择不同的刀具进行加工。微通道选用200 μm或300 μm的铣刀加工，机床主轴转速为660 r/min，切削速度小于25 mm/min，单层切削深度为100 μm，微流道总深为300 μm，雕刻重叠率为70%，以降低微通道表面粗糙度。微流道雕刻完成后换为平底尖刀雕刻进样口和工作区，将PMMA板料切透形成通孔，便于从进样口滴加样品并利用毛细作用向微纳物体运动控制区域进样，切削完成后沿孔的轮廓二次加工勾边，以降低加工表面粗糙度。
在微铣加工PMMA板过程中，将包括PMMA板表面和刀具切削刃在内的加工区域完全浸没于水中进行加工。由于加水冷却，相较于激光加工微流道的表面形貌，机加工所产生的熔融区域高度更低，宽度更窄，2种方式加工的微流道表面形貌如
图6 2种方式加工的微流道表面形貌
Fig.6 Surface morphology of microchannel processed by different methods
微流控芯片的装配包括PMMA微流道与玻璃基板的接合、压电陶瓷换能器的黏贴以及微流道内部的表面改性。压电陶瓷使用环氧树脂胶黏贴在玻璃基板上，在60℃烘箱中加热固化90 min。微流道和玻璃基板用光固化型UV胶黏接，在紫外光下照射30 s固化。微流道胶接与进样如
图7 微流道胶接与进样
Fig.7 Microchannel bonding and injection
由于PMMA为疏水材料，即使在激光加工或机加工后表面形貌和性质产生变化，其毛细作用进样所需时间仍较长，因此需要在微流道表面进行亲水处理以增强液体样品进样时的毛细作用。将包含二氧化钛（TiO2）和聚乙二醇（PEG）成分的亲水聚合物与异丙醇按7∶3的比例混合，注入微流控通道1 min后干燥，即可提高通道的亲水性。这一进样方式避免了使用蠕动泵或注射器进
笔者设计制造的声操控型微流控芯片利用压电陶瓷换能器激励玻璃基板的振动，在微流道内的液体区域构建声流场，驱动液体样品中所含微颗粒在工作区的定向运动。该微流控芯片在特定频率的超声激励下工作，因此需要选定其超声驱动频率。
图8 微流控芯片阻抗特性
Fig.8 Impedance characteristics of microchip
图9 微流控芯片谐振频率
Fig.9 Resonant frequency of microfluidic chip
由于声操控型微流控芯片利用基板振动构建声流场，基板的振型对分析微纳物体操控区域内微颗粒的运动十分重要，可以采用有限元仿真与多普勒三维激光测振相互印证的方式进行分
图10 微流控芯片振型
Fig.10 Vibration mode of microfluidic chip
使用多普勒三维激光测振仪进一步测定并与仿真结果进行对比，
以10 μm聚苯乙烯微球为运输目标，验证声操控型微流控芯片的微颗粒运输功能。在30 V 和21 kHz的超声激励下，工作区内的所有微颗粒同时被运输至振幅较低的位置，速度约为8~12 μm/s，声操控微颗粒运动如
图11 声操控微颗粒运动
Fig.11 Acoustic manipulation of microparticle
1） 依据声操控型微流控芯片的基本结构和工作原理设计了具有2个进样口、1个微纳物体操控区域和“Y”型进样微通道的微流控芯片。
2） 采用激光切割工艺制备开放边界微流道，实现了直写式的微流道加工，研究了激光功率对微流道尺寸的影响。激光加工过程中热量聚集导致的PMMA板熔融，产生表面凸起的微观形貌。研究了精雕加工PMMA材质封闭边界微流道的工艺流程，分析了加工过程中冷却液对切削过程和微流道形貌的影响。
3） 采用光催化黏合剂实现了微流控芯片的室温接合，微流控芯片密封良好，封接牢固。通过表面改性增强了微流控芯片的毛细作用进样，无需泵入样品，精简了微流控芯片控制系统。
4） 设计了声操控型微流控芯片测试方法，包括谐振频率测量、微流控芯片振动模态分析和微纳物体运动控制实验验证，为面向应用的定制化微流控芯片设计提供了新的设计思路。
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