摘要:考慮完全開(kāi)放的微管道中液體輸運(yùn)不穩(wěn)定，不利于生物氣溶膠采樣和監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化集成，本文提出了用覆蓋有疏水網(wǎng)的開(kāi)放微管道來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的可靠輸運(yùn)。通過(guò)理論分析得到了該微管道液體輸運(yùn)特性的估計(jì)公式，并用水作為試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)其輸運(yùn)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。分析實(shí)驗(yàn)顯示，開(kāi)放微管道中液體輸運(yùn)的穩(wěn)定性依賴于柵網(wǎng)特性、液體性質(zhì)和流動(dòng)速度、管道尺寸和表面特性。柵網(wǎng)表面疏水性越好，孔徑越小，微管道中液體的最大許可壓強(qiáng)就越大，液體輸運(yùn)就會(huì)越穩(wěn)定。對(duì)于孔徑50μm、表面涂覆有Teflon的柵網(wǎng)，最大許可壓強(qiáng)可達(dá)2000Pa。管道中的最大許可流速取決于管道尺寸和最大許可壓強(qiáng);對(duì)于較淺、較長(zhǎng)的管道，最大許可流速較小。當(dāng)液體流過(guò)干的疏水管道時(shí)，液體的表面張力會(huì)阻礙流動(dòng)，管道截面尺寸越小，表面張力的阻礙效果越明顯。

1引言

越來(lái)越多的研究表明，接觸生物氣溶膠會(huì)給身體帶來(lái)一系列的不良反應(yīng)，嚴(yán)重的甚至可能危及生命，所以，在工作場(chǎng)所和家庭中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的生物氣溶膠狀況十分必要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)其進(jìn)行高效采集是基礎(chǔ)目前已開(kāi)發(fā)出多種生物氣溶膠采樣方法，包括過(guò)濾、固體撞擊、液體沖擊和靜電沉積等。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和自動(dòng)化檢測(cè)，可采用以液體為采樣介質(zhì)的氣溶膠到水溶膠采樣的技術(shù)。

在氣溶膠采樣過(guò)程中，為了將空氣中的生物質(zhì)采集到液體中，需要使用開(kāi)放的管道。開(kāi)放管道或表面的液體輸運(yùn)可以利用重力、熱梯度驅(qū)動(dòng)、電潤(rùn)濕等方法。Han等人利用靜電沉積將微生物收集到干燥的疏水凹槽中，然后傾斜基底，讓一個(gè)液滴在重力作用下滾過(guò)疏水凹槽，從而將微生物轉(zhuǎn)移到液滴中，實(shí)現(xiàn)氣溶膠到水溶膠的采樣;但這種采樣方法操作繁瑣，不利于采樣、檢測(cè)的自動(dòng)化集成，且在長(zhǎng)時(shí)間采樣中干燥表面會(huì)影響微生物的活性。文獻(xiàn)介紹了利用靜電力將微生物收集到開(kāi)放的儲(chǔ)液池中，然后采用微泵將液體輸出進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)的方法;這種儲(chǔ)液池有利于保持微生物活性，但是完全開(kāi)放的結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，要求芯片在工作中必須平穩(wěn)放置，否則采樣液體很容易溢出。Amar等人利用熱梯度驅(qū)動(dòng)懸浮在油薄膜中的液滴，鋪展油膜的基底不需要進(jìn)行圖形化處理，但是這種方法需要在液滴運(yùn)行路徑鋪滿油膜，且需要可移動(dòng)的熱源。文獻(xiàn)將正負(fù)電極制作在一片基底上，利用介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放表面的液滴輸運(yùn);但電潤(rùn)濕需要復(fù)雜的電極陣列，增加了芯片復(fù)雜程度，且這些電極可能會(huì)影響氣溶膠靜電收集芯片的電場(chǎng)分布。

Meng等人在用于微流體芯片的排氣結(jié)構(gòu)中，制作了疏水孔用于氣體排出，同時(shí)可以防止液體溢出。其第一代排氣結(jié)構(gòu)是在硅片上制作孔徑為50μm的通孔，并利用Teflon制作疏水涂層，文中沒(méi)有實(shí)測(cè)的最大許可背壓，也沒(méi)有討論其輸運(yùn)特性，且這種結(jié)構(gòu)加工成本高。其第二代排氣結(jié)構(gòu)利用聚丙烯疏水多孔膜覆蓋溝道，測(cè)得的最大許可背壓達(dá)2.4x10?Pa，但并無(wú)對(duì)其輸運(yùn)特性的討論，而且這種疏水膜孔徑不到3μm，且不是直通孔，無(wú)法用于氣溶膠采集。本文面向氣溶膠采樣，通過(guò)在開(kāi)放管道表面覆蓋疏水網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了可靠的液體輸運(yùn)，并對(duì)其液體輸運(yùn)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。

2開(kāi)放管道設(shè)計(jì)

2.1開(kāi)放管道原理

氣溶膠到水溶膠的采樣，一方面要求管道是開(kāi)放的，以保證空氣中的生物質(zhì)能夠進(jìn)入液體;另一方面為了避免液體在流動(dòng)過(guò)程中外泄，管道必須封閉。本文設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放的管道，其頂部開(kāi)放面覆蓋有疏水柵網(wǎng)，如圖1所示。疏水柵網(wǎng)孔中的水在表面張力的作用下會(huì)形成一個(gè)彎月面，阻止水從柵網(wǎng)孔中流出。這樣空氣中的生物質(zhì)就能通過(guò)柵網(wǎng)孔進(jìn)入管道，同時(shí)管道中的液體可以穩(wěn)定流動(dòng)而不會(huì)外溢。

為了實(shí)現(xiàn)液體的可靠輸運(yùn)，管道中液體的最大壓強(qiáng)必須小于疏水網(wǎng)的最大許可壓強(qiáng)。最大許可壓強(qiáng)取決于疏水網(wǎng)表面特性和液體性質(zhì)。而管道中液體的最大壓強(qiáng)由管道尺寸和管道表面特性以及液體在管道中的流動(dòng)速度決定。為了表征開(kāi)放管道中的液體輸運(yùn)特性,這里引人3個(gè)壓強(qiáng):最大許可壓強(qiáng)Pb,毛細(xì)壓強(qiáng)Pc和管道中的壓降Pf。最大許可壓強(qiáng)指柵網(wǎng)孔中由表面張力形成的液體彎月面所能承受的最大壓差,與柵網(wǎng)表面特性、柵網(wǎng)孔徑及液體表面張力系數(shù)有關(guān)。當(dāng)液體流過(guò)千燥的疏水微管道時(shí),表面張力會(huì)阻礙液體的流動(dòng),液體前端彎月面產(chǎn)生的壓差定義為毛細(xì)壓強(qiáng),毛細(xì)壓強(qiáng)與管道尺寸、表面特性及液體表面張力系數(shù)有關(guān)。此外,當(dāng)液體以一定速度流過(guò)管道時(shí),由于液體黏性導(dǎo)致的沿程水頭損失必須予以考慮,也就是管道中的壓降Pf。

2.2估算最大許可壓強(qiáng)Pb

根據(jù)液體表面張力理論,對(duì)于一個(gè)有方孔的柵網(wǎng),Pb可以按照下式計(jì)算:

其中:sigma為液體表面張力,a為柵網(wǎng)方孔的邊長(zhǎng),theta為液體對(duì)于柵網(wǎng)的接觸角。計(jì)算中假設(shè)水溫為20^{circ}C,此時(shí)水的表面張力系數(shù)sigma=0.0728~N/m(后面計(jì)算中都采用此參數(shù))。最大許可壓強(qiáng)Pb和孔邊長(zhǎng)的關(guān)系如圖2所示,可以看到采用疏水性好、網(wǎng)孔小的柵網(wǎng)可以得到更大的Pb。