引言 微流控芯片（Microfluidic chips） 是分析化学发展的热点领域 ，其核心是对微流体的控制 ，而研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和基础<1 ，2 >. 目前 ，基于不同致动原理的驱动技术层出不穷 ，如压电致动微泵、电磁致动微泵等 ，但它们均不同程度地存在结构复杂、加工难度大、不易与芯片集成化等问题。 2000 年 ，Unger 等< 3 >利用多层软光刻技术制备了一种气动致动聚二甲基硅氧烷 （ Polydimethylsiloxane ， PDMS） 基质微泵。 其结构简单 ，芯片部分体积微小 ，加工难度低 ，易实现集成化微加工 ，但由于受 PDMS 基材的限制 ，芯片的刚性强度低 ，系统控制的可靠性以及接口的稳定性尚有待提高。
本文采用 AZ4620 光胶阳模在 PDMS 材料上加工了横截面为圆弧形的微通道结构 ，利用玻璃与PDMS 材料之间的封合技术 ，完成气体致动通道和液流通道的密闭 ，得到玻璃2PDMS 复合芯片气动微泵结构 ，简化了气动微泵芯片的制作工艺 ，成功地实现了单一微泵对多路液流的驱动 ，并将其应用于化学发光分析<4 >.
1实验部分
1. 1 仪器与试剂UV21 型 6 W 低压汞灯 （上海顾村电光仪器厂） ；J KG22A 光刻机（上海光学机械厂） ； KW24A 型匀胶机（中国科学院微电子中心研究部） ；UM22L 三通阀（浙江奉化永益气动制造有限公司） ；氮气钢瓶 ；计算机 （ Intel Celeron processor 300A ，64MRAM）及并口连接器 ； GD21 型微光测量仪（西安瑞科电子设备有限公司） ；台式自动平衡记录仪 （上海大华仪表厂） ；CR 114 型光电倍增管（北京滨松光子技术有限公司） .
Sylgard184PDMS 前聚物及固化剂 （美国 Dow Corning 公司） ；AZ4620 光胶 （美国 Shipley 公司） ；0. 7 NaO H 溶液 ； 80μm 厚硅橡胶薄膜 （上海橡胶制品研究所） ；环氧树脂粘接胶 （浙江黄岩光华胶粘剂厂） ；聚四氟乙烯管。 铁氰化钾 ；鲁米诺 （美国 sig2 ma 公司） ；过氧化氢（30 ） ；氢氧化钾 ；去离子水。
1. 2 气动微泵芯片的制作
1. 2. 1 芯片构型设计 ，实验中设计的气动微泵芯片采用三层结构 ：上层为带微通道的玻璃盖片 ，通道 （虚线位置） 被用作流体控制 （气体致动通道） ； 中层为PDMS 薄膜 ， 作为泵膜使用 ，厚度为 80μm ；下层为带微通道的 PDMS 基片 ，其通道被用作流体流动（流动通道） ，通道构型为“Y”型 ，宽 500μm ，深 30μm. 芯片封合时 ，上下通道呈垂直交叉构型放置。 整个芯片尺寸为 20 mm ×30 mm. 鲁米诺和过氧化氢的混合溶液与铁氰化钾均由气动微泵引入 ，并在蜿蜒区域发生反应 ，后流入废液池。 为了能同时满足提高混合效率和减小流体阻力这两方面要求 ，终选择混合检测区长度为 13 mm.
1. 2. 2 上层玻璃盖片的加工采用标准光刻和湿法刻蚀技术<5 >，在玻璃盖片上加工 3 个平行的气动致动通道 ，通道长 11 mm ，宽 1 mm ，深 200μm. 如图 1 所示 ，在各外气路接口及对应 PDMS 基片储液池位置打孔 ，用聚四氟乙烯管完成气体致动通道与外气路的连接。
1. 2. 3 底层 PDMS 基片的制作实验用 AZ4620 光胶阳模浇铸 PDMS 基片。 其具体制作工序如下 ： （1） 用 CorelDraw 程序绘制液流通道构型 ，制得光刻掩模 ； （2） 用匀胶机 （1 000 r/ min ，转动 20 s） 在玻璃基底上均匀涂覆一层AZ4620 光胶 ，静置 15 min ，待光胶略干后 ，再涂覆图1玻璃2 PDMS复合芯片气动微泵结构示意图Fig. 1 Schematic drawing of the structure of pneumatic mi 2 cropump on glass 2 PDMS microchip AC：气体致动通道； FC：流体流动通道； RR ： Luminol与H 2 O 2混合液进样池； SR ： K 3 < Fe（CN）6 >进样池； WR ：废液池； D ：反应检测区一层 ，如此重复涂覆 3 层即可得到厚度约为 30μm的光胶层 ； （3） 将光胶层置于 90 ℃下加热 30 min ，进行前烘 ； （4） 紫外光曝光 4 分 40 秒后 ，用 0. 7 的NaO H 溶液显影冲洗 ； （5） 在 160 ℃下后烘光胶层 ，得到通道横截面为圆弧形的光胶阳模。 （6） 将 PDMS前聚物与固化剂以质量比为 10 ∶1 的比例混合均匀浇灌于阳模上 ，85 ℃固化 20 min 后 ，脱模得到底层PDMS 结构。
1. 2. 4 芯片的封合将加工好的玻璃盖片和 PDMS 薄膜清洗干净 ，用低压汞灯照射 3 h 后 ，贴合并压紧放置 48 h 完成封接<6 >. 在 PDMS 薄膜上对应玻璃盖片储液池位置打孔 ， 如图 1 所示 ，将气体致动通道和液体流动通道呈垂直交叉构型放置 ，重复上述封合步骤 ，完成PDMS 基片与 PDMS2玻璃层的封接。 后在玻璃盖片进样池位置粘接储液槽。
1. 3 实验装置和实验方法气动微泵系统的实验装置 ，采用氮气作为工作气源 ，在气源与芯片之间用 3 个三通阀进行工作气路控制。 按微泵致动程序<3 >编写 Visual Basic 气动微泵控制程序 ，并通过并口信号功率放大接口电路控制三通阀的开关。 芯片致动通道与液流通道交叉处 起开关阀作用 ，当三通阀开启时 ，气源向致动通道充气 ，泵膜发生向下的形变 ，液流通道被截断 ；三通阀关闭后 ，致动通道中的气体被排出 ，致动力撤销 ，泵膜恢复形变 ，液流通道重新导通。 微泵在工作时 ，驱动控制部分由 3 个平行排列的开关阀构成 ，以阀的下压动作代替传统蠕动9 4 6第6期张玲，等：一种基于玻璃2 PDMS微流控芯片上气动微泵的研制及其在化学发光分析中的应用研究 泵中辊杠的滚压动作 ，以阀膜的依次顺序下压代替蠕动泵滚轴的转动 ，实现液流的驱动。 泵的性能由控制程序中的气路切换频率以及钢瓶输出的气体工作压力进行调节。
实验中 ，将芯片检测区对准光电倍增管的检测窗口 ，储液槽中的化学发光试剂 （体积比为 1 ∶1 的鲁米诺与过氧化氢混合溶液 ，于实验前配制） 和待测样铁氰化钾通过气动微泵引入 ，并在检测区发生发光反应 ，后流入废液池 ，光信号由记录仪记录输出。
进样池；WR ：废液池； D ：反应检测区； AA ：作用区； N ：氮气进/出
2结果与讨论
2. 1 微泵芯片加工工艺目前 ，气动微泵多采用 PDMS2PDMS 膜2PDMS结构< 3 >，但实验中笔者发现该结构芯片刚性强度较低 ，导致芯片与外气路接口稳定性较差 ，易发生漏气现象 ；此外 ，在向致动通道充气时 ，芯片易发生整体形变 ，使系统控制的稳定性下降。 基于上述原因 ，笔者采用了玻璃2PDMS 复合材料构建气体致动通道。
经紫外光照处理贴合后 ，玻璃盖片与 PDMS 薄膜的封接强度超过 200 g/ cm ，气路通道可承受的气体压力达 0. 25 MPa ，可满足实验的要求。 后 ，再结合下层带有液流通道的 PDMS 基片 ，便制作出玻璃2 PDMS 膜2PDMS 复合式芯片。 采用玻璃材料取代PDMS 制作上层盖片 ，提高了气动微泵的刚性强度 ，简化了制作工艺 ，降低了加工成本。
此外 ，在光胶阳模加工工艺中 ，SU28 和 AZ 是两种为常用的光刻胶。 前者经紫外光照发生交联反应后 ，光胶边缘不能再发生分子自组装过程 ，用其制作的阳模所浇铸的通道截面为矩形 ，这使 PDMS泵膜无法与液流通道完全贴合 ，留有死角 ，不易截断液流。 而 AZ 光胶为改性酚醛树脂 ，它经紫外光照后 ，在加热条件下可进行分子自组装过程 ，制得通道横截面为圆弧形的阳模。 为此 ，采用 AZ4620 光胶阳模在 PDMS 基片上加工通道横截面为圆弧形的液流通道 ，这种构型通道有利于 PDMS 泵膜与液流通道的封闭 ，使微泵对流体控制的可靠性显著提高。 由于 AZ4620 光胶的运动黏度为 360 哩斯（25 ℃） ，匀胶机转速为 1 000 r/ min 时 ，胶厚约 10μm. 为得到30μm 厚的光胶层 ，采用了连续 3 次涂覆的方法。
2. 2 气体工作压力的选择气体工作压力的高低直接影响微泵的性能 ，进而引起化学发光强度的变化。初发光信号随着气体工作压力的增大而增加 ，这是由泵膜形变量增加 ，系统真空度增大 ，流经检测区的反应物增加所致。 当工作压力增大到 0. 12 MPa 时 ，发光信号出现一峰值 ；此后继续增加气体工作压力 ，发光强度降低 ，这可能是由于工作压力过大 ，泵膜不易恢复形变 ，其有效形变量减小 ，检测区反应物的量减小所致。 此外 ，长时间在过高的工作压力下工作也会缩短泵膜的使用寿命。 因此 ，对该发光体系笔者选择0. 12 Mpa作为气体工作压力。
气路切换频率较低时（ < 20 Hz） 发光信号随着切换频率的增加而增大 ，这是因为在不改变每个周期流体传输体积的条件下 ，缩短每个周期所用的时间可以增加检测区反应物的量 ，光信号的强度增强。 但当气路切换频率大于 20 Hz 时 ，由于泵膜在一定程度上阻止了发光试剂和铁氰化钾的传输 ，信号将不再增加。 实验中笔者选择的气路切换频率为 20 Hz.
2. 4 化学发光试剂浓度的优化作为氧化剂的过氧化氢在较高浓度时不稳定 ，当浓度达到 20 mmol/ L时 ，检测信号出现一峰值 ，故笔者选择过氧化氢的佳浓度为 20 mmol/ L.在 10 mmol/ L范围以内 ，检测信号随鲁米诺浓度的增加而增强 ，当鲁米诺浓度大于 10 mmol/ L 时 ，信号反而有减小趋势。这可能是由于鲁米诺在较高浓度时的络合作用所致 ，所以本系统选取的鲁米诺浓度为 10 mmol/ L.
气体工作压力：0. 12 MPa ；气路切换频率：20 Hz ；鲁米诺浓度：10 mmol/ L ； H 2 O 2浓度：20 mmol/ L此外 ，实验还对一系列不同浓度的铁氰化钾标准溶液的化学发光信号进行测定 ，得到工作曲线的线性范围为 6 ×10 - 6～6 ×10 - 5 mol/ L ，线性相关系数R 2 = 0. 999 0 ，检出限（3σ） 为 8 ×10 - 7 mol/ L.
3结论以自制的 AZ4620 光胶阳模 ，在 PDMS 材料上加工通道横截面为圆弧形的液流通道微结构 ，利用玻璃与 PDMS 间的可靠封接以及 PDMS 薄膜的高弹性特征制作了复合型气动微泵芯片。 该微泵具有结构简单 ，操作方便 ，性能稳定等优点 ，通过设计不同构型的芯片结构 ，可实现单一微泵对多路液流的驱动 ，提高了系统的集成度。 此外 ，与目前普遍采用的电渗驱动相比 ，采用气动微泵引入活体试样可避免进样时对试样所造成的损伤 ，这又使其在生物样品分析中有广阔的应用前景。
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