离心微流控系统中的计量功能：从对比分析到设计指南

《Sensors and Actuators A: Physical》：The Metering Function in Centrifugal Microfluidic Systems: From Comparative Analysis to Design Guidelines

　　阿里·戈利扎德（Ali Gholizadeh）|奥利维尔·维尔兰（Olivier Verlaine）|特里斯坦·吉莱（Tristan Gilet）
列日大学（University of Liège）航空航天与机械工程系，微流控实验室（Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Microfluidics Laboratory），比利时列日，4000

**摘要**
计量（也称为分液）是离心微流控系统中的关键功能，它能够将较大的入口体积分割成较小的、定义明确的下游体积。然而，现有的计量技术经常面临与精度、重现性以及适应不同流体体积、几何布局和操作条件相关的挑战。在这项研究中，我们通过表征计量过程在关键参数上的性能来系统地进行研究：入口体积、旋转速度、腔室几何形状以及液体塞的形成。我们使用两种不同的微流控配置进行了大量实验，每种配置都旨在评估纳升和微升级别的计量性能。对比分析显示，计量精度与结构特征（如电路架构和表面润湿性）之间存在关键依赖关系。连接到计量腔室的液体塞通过实验和理论方法进行了分析。我们确定了塞长度和离心加速度的一个临界阈值，超过这个阈值后，塞会被一致地排出。此外，我们还通过比较在笛卡尔坐标和圆柱坐标下制图的芯片，研究了平面内电路布局的影响。观察到计量精度和重现性存在系统性的差异，这些差异完全源于相对于离心力的几何对齐问题。这项工作为优化离心微流控系统中的计量功能提供了一个全面的框架，并为开发可靠的磁盘上的实验室（Lab-on-a-Disk）系统提供了实用的设计指南。

**引言**
离心微流控系统已成为便携式诊断、生化分析和样品制备的强大技术[1]、[2]、[3]、[4]。通过最小的仪器，可以在集成到旋转平台中的微流控电路内径向移动从纳升到毫升级别的液体样品。该平台通常设计为单片圆盘，通常称为磁盘上的实验室（Lab-on-a-Disk，简称LOAD）[5]。与需要外部泵的压驱动芯片实验室系统[6]、[7]不同，离心平台仅通过旋转加速度实现液体的控制操作。然而，LOAD设计的单片化特性限制了灵活性，并增加了原型制作的前期成本，特别是在研发环境中。磁盘上的芯片（Chip-on-a-Disk，简称COAD）系统由简单插入可重复使用圆盘结构中的微流控芯片组成，大大降低了原型制作成本，并能够测试大量的微流控设计[8]。通过精确调节旋转速度，可以动态控制流体运动，从而实现混合、分离和计量等单元操作，这对定量分析的性能至关重要。为了确保准确、自主的工作流程，对这些流体过程的仔细设计和预测建模是必不可少的[9]。

计量或分液是将较大液体样本分割成较小的、定义明确的子体积的过程。计量策略大致分为单阶段和两阶段方法。在单阶段方法中，计量直接发生在最终读出腔室中[10]。这种方法设计简单，非常适合化学分析应用[11]，但它仅适用于处理单一液体，因此不适合涉及混合[12]和/或分离[13]的工作流程。相比之下，两阶段方法允许在计量单元下游的腔室中进行进一步处理。然而，这种方法需要更复杂的设计，因为微阀[14]通常是控制液体精确转移到后续腔室所必需的[15]、[16]。这些阀门——无论是 passive 的（例如毛细阀[17]和虹吸阀[18]）还是 active 的（例如磁力阀[19]）——都会直接影响计量精度。它们的性能取决于多个参数，包括爆破压力阈值、旋转速度和驱动时机。阀门触发不及时或意外泄漏可能导致液体转移不完全或过量[20]。因此，准确的计量是许多离心微流控应用的关键要求。在酶法和免疫测定中，精确的试剂体积决定了反应动力学和信号强度，直接影响测定的灵敏度和重现性[21]、[22]。在稀释工作流程中，定义的体积比决定了最终分析物的浓度，而在样品制备模块中，一致的分液确保了下游处理的可靠性[23]。通过在一个微流控芯片或圆盘中集成多个电路，可以并行处理多个计量功能，从而实现高通量和/或多重测定[24]。在这些系统中，液体样品通常在转移到反应腔室或处理单元之前被分配到一个或多个定义明确的子体积中[25]。这些操作的可靠性在很大程度上取决于计量单元的几何形状和平面内电路布局。微流控电路最常见的是采用圆柱形布局[16]、[26]、[27]，其中几何特征与离心力的径向方向对齐。然而，不同的应用可能还会带来额外的设计约束，包括与标准离心机的兼容性[28]。例如，笛卡尔布局非常适合模仿摆动桶式离心机中使用的孔板格式的微流控设计[29]。这些布局引入了与离心力的角度错位，可能会改变流动路径和计量行为。尽管在原型制作和模块化平台中的相关性日益增加[30]，但这种几何偏差对计量精度和重现性的影响尚未得到系统研究。

到目前为止，先前的研究已经在专门的 LOAD 平台上展示了精确的计量（变异系数低于 5%）[11]、[31]、[32]。特别是，Mark 等人[31] 和 Schwemmer 等人[33] 建立了离心气动计量的定量设计规则，其中计量体积由封闭腔室几何形状和压缩空气体积决定。尽管这些方法能够实现高度准确的体积定义，但它们本质上仅限于封闭的气动系统和特定的操作条件。Lutz 等人[32] 研究了毛细控制的计量和溢出概念，强调了几何形状和润湿性对计量性能的影响。然而，他们的分析集中在特定的阀门架构上，并未研究入口体积、残余液体保留或布局引起的力错位的综合效应。尽管有这些进展，计量性能仍然可能对动态操作条件敏感，在这些条件下，毛细力和惯性力在液-气界面上会带来挑战。旋转速度控制着离心加速度，直接影响流体位移和界面定位[34]、[35]。之前有报道指出，在入口体积变化 ±10% 时，对计量结果的影响可以忽略不计[33]，但在开放式和基于溢出的计量架构中，其影响仍然不甚清楚。制造方法和腔室制造公差也被证明会影响计量体积[4]、[31]。在多步骤工作流程中，由于残余液体滞留在狭窄的连接通道中，可能会产生累积过计量[32]，而表面润湿性可能会促进寄生液体塞的形成或样品转移不完全，特别是在受限几何形状中[32]、[36]。尽管提出了定性的设计建议（例如修改连接几何形状以中断不需要的液体连接[37]），但仍然缺乏将运动学和几何参数与不同架构和布局下的计量精度联系起来的系统框架。

在这项研究中，我们使用灵活的 COAD 平台，对不同微流控配置和操作条件下的计量功能进行了比较研究。我们报告了实验测量结果，并提供了对观察到的行为的物理解释。确定了影响计量精度的关键参数，包括腔室几何形状、旋转速度、入口体积和表面润湿性，并对其进行了评估。特别关注了两种不同的配置，详细分析了预期计量体积与实际计量体积之间的差异。此外，我们通过比较具有笛卡尔坐标和圆柱坐标偏移的芯片，研究了平面内电路排列的影响，揭示了仅由布局几何形状引起的计量精度和重现性的系统差异。这些发现为未来离心微流控平台改进计量功能和精度提供了实用的设计指南和预测工具。

**微流控芯片：设计、制造和材料**
微流控芯片采用 SolidWorks 设计为两种配置 1 和 2，并在 Sirris 研究中心使用 3D 打印树脂（Detax MedicalPrint，透明-04016）制造。使用胶带（Labelor，3635E5-38B297）密封微流控电路。测量了 DI 水在树脂（θa= 89°, θr= 57°）和胶带（θa= 102°, θr= 72°）上的接触角。每个芯片呈矩形，长 40 毫米，厚 5.5 毫米，宽 24 毫米，包含一个微流控通道。

**现象学**
图 2a 展示了配置 1 中 Design 1 的计量结果。首先将 8 微升的水注入井中，然后打开毛细阀，然后在 750 转/分钟（30 g，其中 g= 9.8 米/秒2）的稳定离心力下将液体转移到计量腔室（t = 13 秒）。鼻部特征在液体向计量腔室移动时迫使其系统地附着在右侧壁面上[38]，从而确保了无空隙的填充[39]。一旦计量腔室...

**结论**
这项研究系统地调查了离心微流控系统中的计量功能，重点研究了设计参数、动态操作条件和几何布局如何影响计量性能。利用灵活的磁盘上芯片（COAD）平台，我们在两种不同的微流控配置下进行了大量实验，每种配置包含 five 个设计变体，在不同的腔室尺寸、旋转速度和入口条件下来进行实验。

**作者贡献声明**
奥利维尔·维尔兰（Olivier Verlaine）：可视化、软件、方法论、概念化。阿里·戈利扎德（Ali Gholizadeh）：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。特里斯坦·吉莱（Tristan Gilet）：写作——审阅与编辑、验证、监督、软件、资源、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

**致谢**
作者感谢 Denis Vandormael（Sirris）制造微流控芯片，以及项目协调者 Gabriel Mazzucchelli 对这项工作的深入讨论。这项研究得到了瓦隆公共服务（SPW）通过 Win2Wal 奖项 2010126（ChipOmics）的资助。阿里·戈利扎德自 2021 年起在列日大学担任研究工程师。他于 2020 年在法国巴黎综合理工学院（Arts et Métiers ParisTech）获得机械工程硕士学位。在加入 ULiège 之前，他在 Fluigent 公司积累了经验，参与了自动化微流控阀门的开发和工业化。他目前的研究位于芯片设计的交叉领域，专注于（离心）微流控和小尺度流体动力学，特别是在...