集成通道选择器，使用数字镜像装置控制的热可逆凝胶引导流体流动

摘要

开发了一种采用聚合物热可逆凝胶的集成通道选择器系统。这里，我们展示了一个系统有九个交叉点的阵列微通道。利用红外激光照射在几个交叉点形成凝胶区域，从入口到九个出口中的一个通过某些连接点和通道。采用微机控制的数字反射镜装置，实现了红外激光的多点照射。经过验证，该系统能够将流体导向所有9个出口。最后，我们为流动的粒子创建了灵活的路径，包括侧滑。

1.介绍

微流控技术被认为是许多领域的强大工具，如化学、生物学和医学[1- - - - - -3.]．例如，这些技术使分析少量样本成为可能，并允许开发相当均匀的反应堆系统，称为微处理服务器。在已经开发的微流体系统中，流体通常通过预先建立的通道向一个方向移动，而这些通道只能提供有限的灵活性。为了增加改变流动方向的灵活性和复杂性，已经开发了许多由不同力控制的阀门系统，例如，由软材料构成的气动控制阀门，使用微加工技术制造的微型机械阀门，以及利用ph敏感或温度敏感凝胶或光驱动润湿性变化的微通道中流动阻力变化的调节[4- - - - - -12]．在这些阀门中，气动控制阀由于其制造简单和多阀门操作的可能性而被应用于许多类型的设备[4,7]．然而，气动阀的运行是由一个离片电磁阀控制的，而微阀的大规模集成需要相同数量的离片控制电磁阀和全球到芯片连接器[13]．我们开发了一种有输入、二到五种输出的流动控制系统，该系统采用红外(IR)激光诱导局部加热的热可逆凝胶水凝胶[14- - - - - -16]．我们成功地以非接触方式有选择地引导了流动，但这种技术基于仅在一个结点上切换的流动。在这里，我们将流量控制机制扩展到具有独立调节的18个阀门的柔性通路连接上的流量控制。

2.材料和方法

２.１.微通道矩阵的结构

我们设计了一个集成的通道选择器作为一个微通道矩阵，如图所示有一个入口和九个出口1(一)。为了实现高效加热，在每个流道交叉点和九个出口前的点形成Cr/Pt薄金属吸收体。

２.２.多流量控制原理

我们利用热可逆凝胶聚合物溶液来控制微通道中的流动。Mebiol凝胶是聚(n-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸正丁酯)和聚(乙二醇)的嵌段共聚物[15]．聚合物在室温下为液态(溶胶态)，在超过临界温度(36℃)后变为弹性水凝胶(凝胶态)。凝胶态的粘度比溶胶态高约1000倍，局部形成的凝胶能够堵塞微通道中的流动。Pluronic F-127也具有类似的流变变化，并成功地用于某些流体控制技术[8,9,11]，但由于聚合物在较高温度下发生二次凝胶-溶胶转变，因此对其凝胶化的热控制应严格[17]．Mebiol凝胶不存在热滞现象，在较高的温度下仍能保持胶凝结构，在流动控制方面具有优势。在之前的工作中，我们实现了1 mm分叉通道的连续封堵流速，保持快速开启/关闭响应[15单聚焦红外激光器。在这里，我们用金属吸收体和数字镜装置(DMD)的多点照明系统来扩展加热点(图)1 (b)）.将带有微珠的溶胶状态的Mebiol凝胶载体溶液引入进口。在检测到目标微珠后，通过个人计算机控制的DMD反射红外激光束照射，加热一组金属吸收材料，形成从入口到特定出口的流动路径(图)1 (b)）.载体溶液在辐照点处转变为凝胶态，堵塞微通道，改变流动方向(图)1 (c)）.通过改变红外激光对金属吸收剂的输入功率，可以控制金属吸收剂的凝胶化程度。

2．3.信道选择系统的制作

数字2显示通道选择器装置的制造过程。首先，Cr和Au金属依次沉积在500上m厚的Pyrex玻璃基板，层厚分别为30 nm和40 nm2(一个)）.采用金膜作为电解镀的种子层。在Au薄膜上涂上一层正极光刻胶(TSMRV90 27 cp, Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd)，通过光刻转移微通道矩阵的图案(图2 (b)）.通过电解镀沉积了一层镍，作为电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)的掩膜，层厚为700 nm(图)2 (c)）.对于5m深的蚀刻在Pyrex玻璃基板上，然后去除Pyrex玻璃上的所有金属(图)2 (d)）.另一种正极光刻胶(PMER P-LA900, Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd)被涂在耐热玻璃上，并转移了热吸收器的图案(图2 (e)）.Cr和Pt通过溅射依次沉积，层厚分别为70 nm和80 nm(图)2 (f)）.除去光刻胶后(图2 (g))，将耐热玻璃基板热粘接在厚度为170的耐热玻璃盖板上m在560°C(图2 (h)）.对Cr/Pt吸收剂的厚度和热活性条件进行了优化。该吸收体可吸收输入红外激光97%的能量。为了保持设备的恒定温度，设备的顶部连接了一个水散热器。

２.４.光学设置

数字3.展示了用于荧光探测和红外激光辐照的光学系统。倒置光学显微镜(IX71, Olympus optical，东京，日本)，配备物镜(UApo/340 20x;奥林巴斯光学)。采用30w红外激光器(808 nm, LIMO32-F200-DL808-LM, LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH)作为红外光源。DMD的红外激光事件(从DLP投影机,v - 807,加上视觉有限公司)是反映在微镜的一个子集,在国家中,直接通过物镜照射式微通道,而另一个微镜,在关闭状态,针对光学陷阱。通过中继透镜、二向色镜(定制505 nm长程滤光片;朝日光谱有限公司)和物镜。当红外激光被DMD上的所有微镜反射时，焦平面的红外激光功率为2 W。微镜角度的变化是由个人电脑处理和发送的目标信号触发的。罗丹明B，以微量混合在载体溶液中以显示微通道，和微珠(氟球聚苯乙烯微球，1.0M，黄绿色荧光，用于示踪剂研究;分子探针)通过激励滤波器(D540/25x;Chroma Technology, Co.)和二色镜(Q565LP;色科技有限公司)。将获得的荧光投射到电荷耦合器件(CCD)相机上(CCD- 300rcx;DAGE-MTI)通过发射过滤器(D605/55 m;色科技有限公司)。CCD相机的图像信号由图像采集板(GINGA+;并使用Halcon软件进行分析。DMD由一个用Visual Basic编写的实验室程序控制。

3.结果和讨论

３．１．计算流体动力学分析

为寻找合适的通道选择器中溶胶-凝胶转变的条件，进行了计算流体动力学(CFD)分析。通过CFD分析，找到了关键参数。微通道的宽度为8M，因为如果它越小，流动阻力越大，而如果它越大，热通过微通道扩散的速度就越快。此外，微通道晶格间距至少为20M，因为如果小于这个，施加的热量就会在微通道晶格中积累。此外，通道选择器应采用高硼硅玻璃而不是硅酮，因为高硼硅玻璃的导热系数小。在上述条件下对一组金属吸收器应用热能的模拟表明，温度分布被充分限制以产生正确的流动路径(图)4）.红外激光所需功率估计为100 W从模拟结果。

３.２．渠道选择演示

采用0.15 MPa恒压泵将Mebiol凝胶、罗丹明B和荧光微珠的混合物通过入口引入微通道;流速约为500米。首先，我们试着把目标微珠移到每个出口。在独立试验中，均匀的方形光照可以形成流向每个出口的流道，但无法切换流道。当路径切换到另一个较远的出口时，经常会发生错误。这种现象可以解释为不同出口的流动阻力不同。我们发现越远的出口流动阻力越大，需要更大的阻力来停止流动。因此，我们通过反复试验，通过改变折线面积来优化红外激光输入到每个吸收体的功率。在这个过程中，我们还发现芯片内的热量积累也影响了流量的控制。对芯片的总输入功率进行了最小化。图中荧光图像5显示荧光珠在特定点加热下流向不同出口的轨迹，如图荧光图像旁边的插图所示。每个流动路径都被成功地控制，使珠子移动到特定的出口。流程的顺序切换速度小于300 ms。颗粒从入口到出口的平均流速降低到97%。实验结果表明，采用热诱导局部凝胶法实现了无泄漏流动控制，实现了高响应性的流动路径选择。

接下来，我们尝试做一个更灵活的流动路径，以确保预期的性能，不仅在进口/出口附近，而且在晶格中心。在这个试验中，没有采用最短路径。数字6展示了这样一个演示的例子。对于这个轨迹，所有的加热点都起到了阻挡样品流动的作用。

4.结论

我们开发了一种单入口，九出口集成通道选择器和灵活的路径连接系统，采用热可逆凝胶Mebiol凝胶和由DMD控制的红外辐照。该系统通过非接触式能量传输，独立控制18个阀门。这种工作原理使我们能够将所有的机械集成到一个100以内的频道选择器M平方，从而提供了新的流体系统，如解复用器，适用于微全分析系统。

致谢

作者感谢Watabe Shota和Tomohiro Shimomae的实验支持，以及Funatsu实验室和Shoji实验室成员的讨论。这项研究得到了SENTAN、JST和科学研究资助基金(S)的部分支持。23226010，日本jsp。

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