一种纳米尺度的微通道内流体的驱动方法

摘要

一种纳米尺度的微通道内流体的驱动方法，涉及微流体。设计并制作含有纳米尺度的微通道的毛细管或者微流体芯片；将需要进行驱动的液体充满纳米尺度的微通道；将纳米尺度的微通道的一端与另一种液体相接触，充满纳米尺度的微通道的液体与之在纳米尺度的微通道的开口处形成两相界面；充满纳米尺度的微通道的液体会溶解或者扩散进入到与之相接触的另一种液体中而不断减少，纳米尺度的微通道内的液体会不断流向两相界面处进行补充，从而实现其在纳米尺度的微通道内的驱动。方法简单、操作简便、流动平稳，流速可控。

说明书

技术领域

本发明涉及微流体，特别是涉及一种纳米尺度的微通道内流体的驱动方法。

背景技术

微流体芯片是利用各种微加工技术在芯片材料上加工出具有各种功能的微米尺度的微结 构，实现反应、分离、检测等功能。目标是最大限度地把实验室的功能集成到便携的芯片上， 实现分析设备的微型化、集成化、便携化和自动化。

自从首次提出以来（Manz,A.；Graber,N.；Widmer,H.M.Miniaturized Total Chemical  Analysis Systems:A Novel Concept for Chemical Sensing,Sens.Actuators,B,1990, 1,244-248），已获得广泛的研究，并被应用到各个领域（Dittrich,P.S.，Manz,A. Lab-on-a-chip:Microfluidics in Drug Discovery,Nature Reviews Drug Discovery,2006, 5,211-218；Huang,B.;Wu,H.;Bhaya,D.;Grossman,A.;Granier,S.;Kobilka,B.K.; Zare,R.N.Counting Low-Copy-Number Proteins in a Single Cell,Science,2007,315, 81-84）。流体的驱动技术是微流体芯片的关键技术之一，目前，微流体芯片常用的驱动方法 主要包括压力驱动（Tsukahara,T.，Mawatari,K.，Hibara,A.，Kitamori,T.Development  of a Pressure-Driven Nanofluidic Control System and Its Application to an Enzymatic  Reaction,Anal.Bioanal.Chem.,2008,391,2745-2752）、电渗流驱动（方肇伦等。微流 控分析芯片，北京：科学出版社，2000）、离心力驱动（Li,C.;Li,H.;Qin,J.;Lin,B. Rapid Discrimination of Single-Nucleotide Mismatches Based on Reciprocating Flow on  a Compact Disc Microfluidic Device,Electrophoresis,2009,30,42704276）以及表 面张力驱动（Wang,K.G.;Yue,S.;Wang,L.et al.Manipulating DNA Molecules in  Nanofluidic Channels,Microfluid Nanofluid,2006,2,85-88）等。随着微流体技术的 进一步发展，微通道的尺寸进一步降低到纳米尺度（Sparreboom,W.;van den Berg,A.; Eijkel,J.C.T.Principles and Applications of Nanofluidic Transport,Nature  Nanotech.,2009,4,713-720）。

采用纳米尺度的微通道能进一步减少样品和试剂的消耗，降低成本；高热导和快速传质 提高效率并缩短分析时间；通道仅为几个或几十个分子的大小，能实现单分子检测或单细胞 (细菌、病毒、细胞器等)分析；加工多个平行结构，进一步提高集成度，实现高通量分析和 检测（鹿燕，王敏.模板法合成纳米通道在微流控系统中的应用.分析化学，2009，37：923-928）。

当微通道的尺寸降低到纳米尺度时，其比表面积进一步增大，小尺度效应、表面效应进 一步显著增强，通道内壁对液体分子的存在状态和运动方式有着决定性的影响，基于连续介 质的一些宏观概念和规律有可能不再适用。目前应用于微流体芯片的驱动方法已经不适用于 纳米尺度的微通道。

电渗流是微流体芯片上最普遍使用的驱动方式之一，电解质溶液在带电的固体表面附近 会形成双电层，利用双电层在电场作用下的定向运动来驱动通道内的液体向着负极流动。电 渗流驱动方法无活动部件；结构简单；液流无脉动；具有柱塞状速度剖面，扩散小，可用于 电泳分离；并且能够提供很高的背压（方肇伦等。微流控分析芯片，北京：科学出版社，2000）。 目前，在纳通道的研究中有利用电渗流进行驱动（Hlushkou,D.;Perry,J.M.;Jacobson, S.C.;Tallarek,U.Propagating Concentration Polarization and Ionic Current  Rectification in a Nanochannel-Nanofunnel Device,Anal.Chem.,2012,84,267-274）， 但是电渗流受通道表面状态的影响很大，重现性不足，而且应用到纳米通道时具有严重的不 足。双电层主要由Stern层和扩散层组成，其中扩散层的厚度一般为几纳米到几百纳米 （Napoli,M.;Eijkel,J.C.T.;Pennathur,S.Nanofluidic Technology for Biomolecule  Applications:a Critical Review,Lab Chip,2010,10,957-985）。双电层在纳通道内会 出现重叠，速度剖面不再呈柱塞状，也不再具备明显的滑移特征。通道内壁所带的电荷对溶 液中离子的影响显著，携带不同电荷的离子在通道截面上的分布具有显著的差异。在入口处 也会阻止携带同种电荷的离子(甚至纳米颗粒)进入纳米通道，产生浓度极化现象，导致阳离 子在阳极耗尽并在阴极富集（Hlushkou,D.;Perry,J.M.;Jacobson,S.C.;Tallarek,U. Propagating Concentration Polarization and Ionic Current Rectification in a  Nanochannel-Nanofunnel Device,Anal.Chem.,2012,84,267-274）。所以与微米通道相 比，电渗流的性质在纳米通道中有了极大的改变，无法实现液流的均一、稳定、无歧视的驱 动。

压力驱动是另一种在微流体芯片中成熟而广泛应用的驱动方式，具有简单方便、易于操 纵控制、流速范围广、对不同种类的液体适应性广、不受内壁表面性质的影响、对溶质不具 有歧视效应等优点。但当这一驱动方法应用到纳米通道时，却由于纳米通道相对较高的流体 阻力而导致其应用的难度非常大。在纳米通道内，因为其雷诺数远小于1，所以液流在纳米 通道内的流动属于层流。根据圆形管路中的流动阻力公式：其中ΔP是管路的 压力降，μ、l、V和d分别是液体的粘度、通道长度、流速和管路的直径，驱动液流所 需的压力和管路直径的4次方成反比。当通道由微米尺度降低到纳米级别时(降低了3～4个 数量级)，其流动阻力将增加12～16个数量级，过高的流动阻力导致目前的精密注射泵无法 驱动纳米通道内液流的流动。压力驱动应用到纳米通道的另一个不足是很难提供足够低的流 速和体积流量，精密注射泵在接近其流速极限时的性能较差，其精密度、准确度都相对不足， 并且脉动现象明显。

发明内容

本发明为了克服上述驱动方法的不足，利用不互溶或者不完全互溶的两种液体间的相互 作用，提供一种纳米尺度的微通道内流体的驱动方法。

本发明包括以下步骤：

1）设计并制作含有纳米尺度的微通道的毛细管或者微流体芯片；

2）将需要进行驱动的液体充满纳米尺度的微通道；

3）将纳米尺度的微通道的一端与另一种液体相接触，充满纳米尺度的微通道的液体与之 在纳米尺度的微通道的开口处形成两相界面；

4）充满纳米尺度的微通道的液体会溶解或者扩散进入到与之相接触的另一种液体中而不 断减少，纳米尺度的微通道内的液体会不断流向两相界面处进行补充，从而实现其在纳米尺 度的微通道内的驱动。

在步骤1）中，所述纳米尺度的微通道的横截面可为圆形、椭圆形、半圆形、星形、多 边形等或者圆形、椭圆形、半圆形、星形、多边形等的组合图形；所述纳米尺度的微通道的 横截面在一维或者二维上的尺寸为1～999nm；所述毛细管或者微流体芯片的材料可为玻璃、 石英、硅、金属或者高聚物等；所述微流体芯片上的微通道可为单独的纳米尺度的微通道， 也可以是纳米尺度的微通道和非纳米尺度的微通道相交叉组成的微通道网络；所述纳米尺度 的微通道根据所驱动的流体的性质，对微通道的内壁不进行表面处理或者进行表面处理。

在步骤3）中，所述形成两相界面的两种液体之间不互溶或者不完全互溶；所述纳米尺 度的微通道与之相接触的另一种液体，可以是处于流动状态，也可以是处于静止状态。

本发明的优点在于：提供一种驱动纳米尺度的微通道内的流体的新方法，方法简单、操 作简便、流动平稳，流速可控等。

附图说明

图1是根据本发明微流体芯片上的纳米尺度的微通道内流体的驱动方法示意图。

图2是根据本发明毛细管上的纳米尺度的微通道内流体的驱动方法示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，在微流体芯片1上，两个25μm深的微通道AD、BD和一个100nm深的微通道 CD呈“Y”型均匀分布，宽度均为500μm。微通道CD和位于C处的储液池中预先充满己醇。 微通道AD和BD中则是不与己醇完全互溶的水，由精密注射泵2经导管3由A处注入到微通 道并由B处流出。己醇和水在纳米深度的微通道和微米深度的微通道的交叉处形成两相界面 4。为了在微通道的交叉处形成稳定重现的两相界面，纳米深度的微通道预先经10％的二氯 二甲基硅烷处理10min。保持微米深度的微通道内的水连续流动，界面处的己醇会不断溶解 （或扩散）而进入到水中，减少的己醇由储液池C处的己醇得到补充而导致纳米深度的微通 道内的己醇不断流向两相界面4处。

实施例2

参见图2，毛细管5的纳米尺度的微通道内充满了有机相丁醇。将毛细管插入到装有水7 的烧杯6中，在微通道的出口处会产生丁醇和水的两相界面。丁醇会溶解（扩散）进入到水 中,导致纳米尺度的微通道内丁醇不断地朝两相界面处流动从而实现纳米尺度的微通道内液 体的驱动。