Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 13
1.1 Микрофлюидные системы – основа биомедицинских технологий 13
1.2 Микроканальный кремний как элемент сенсорных и транспортных устройств 17
1.3 Электроосмотические насосы 17
1.4 Электрофизические сенсоры 21
1.5 Электрокинетические сенсоры 23
Выводы к главе 1 24
2 Получение микроканального кремния и методика эксперимента 25
2.1 Изготовление микроканальных мембран 25
2.2 Феноменологическая модель получения упорядоченного микроканального кремния анодным травлением p–Si (100) 31
2.3 Пространственное описание микроканальной мембраны 35
2.4 Оборудование, использованное в работе 37
2.5 Методика измерений 38
2.6 Определение погрешности измерений 41
Выводы к главе 2 42
3 Электроосмотическое транспортное устройство 43
3.1 Электроосмотический транспорт жидкости
через микроканальные мембраны 43
3.2 Конструкция транспортного устройства 45
3.3 Влияние пространственных характеристик мембраны, напряженности внешнего электрического поля и типа раствора на электроосмотический транспорт жидкости 47
3.4 Зависимости расхода жидкости от напряженности электрического
поля в устройстве с асимметричной кремниевой мембраной 52
3.5 Производительность и КПД 56 Выводы к главе 3 57
4 Электрокинетический сенсор потока жидкости 59
4.1 Потенциал течения как следствие принудительного транспорта жидкости через микроканальные мембраны 59
4.2 Конструкция электрокинетического сенсора 61
4.3 Потенциалометрический и амперометрический режимы работы 64
4.4 Исследование зависимости выходного сигнала сенсора от величины объемного расхода при транспорте жидкости через кремниевую микроканальную мембрану 64
4.5 Температурные характеристики сенсора 71
4.6 Изучение влияния концентрации используемых растворов на выходной сигнал сенсора 77
4.7 Работа сенсора с внешней резистивной нагрузкой 80
Выводы к главе 4 83
5 Электрофизический сенсор жидостей 85
5.1 Конструкция сенсора и измерительной камеры 86
5.2 Исследование отклика сенсора при взаимодействии чувствительного элемента с органическими и неорганическими жидкостями 88
5.2.1 Деионизованная вода 88
5.2.2 Уксусная кислота и гидроокись аммония 94
5.3 Изучение влияния концентрации этанола в водных растворах на выходной сигнал сенсора 96
Выводы к главе 5 102
Заключение 103
Список сокращений и условных обозначений 105
Список литературы
- Микроканальный кремний как элемент сенсорных и транспортных устройств
- Феноменологическая модель получения упорядоченного микроканального кремния анодным травлением p–Si (100)
- Влияние пространственных характеристик мембраны, напряженности внешнего электрического поля и типа раствора на электроосмотический транспорт жидкости
- Исследование отклика сенсора при взаимодействии чувствительного элемента с органическими и неорганическими жидкостями
Микроканальный кремний как элемент сенсорных и транспортных устройств
Первое упоминание о пористом кремнии датировано 1956 годом, когда в свет вышла работа A. Uhlir [41], посвященная фотоэлектрохимическому травлению отверстий в пластинах кристаллического кремния. В ходе изучения процесса травления был обнаружен побочный продукт – слои пористого кремния. Практически следом за работой A. Uhlir вышла работа [42], в которой D. R. Turner детально изучил и описал особый вид кремния, возникающий при электрохимическом травлении монокристаллического кремния.
Работы V. Lehmann, выполненные в соавторстве с H. Fll [44] и U. Gsele [45], положили начало всестороннему изучению управляемого получения слоев микроканального кремния с заданными пространственными характеристиками. Эти работы стали предвестниками появления новых технологий создания кремниевых мембран с упорядоченно расположенными каналами, поперечные размеры которых могут варьироваться в широких пределах: от единиц до нескольких десятков микрометров. Микроканальные мембраны сразу нашли применение в различных приборах, используемых в микроэлектронике [46, 47], микросистемной технике [48], биомедицинских технологиях [2, 3]. Ежегодное количество публикуемых работ не показывает тенденцию к снижению [1], а регулярно выходящие монографии только усиливают интерес к этому материалу [49–51].
В микро– и нанофлюидных системах транспорт жидкости обеспечивают различные устройства, отличающиеся по конструкции и принципу действия [52]. Среди них выделяют компактные насосы, работающие на основе электроосмотического эффекта [33]. Такие насосы привлекают внимание благодаря ряду преимуществ, важнейшие из которых – простота изготовления, легкость интеграции в системы и, самое главное, отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность и долговечность прибора. На сегодняшний день существует много вариантов исполнения электроосмотических насосов. В частности, микрофлюидные платформы, изготовленные в двумерном варианте, включают как одиночные, так и параллельные каналы с различным расположением и геометрией [53–55]. В трехмерном исполнении электроосмотические насосы имеют мембраны, состоящие из различных материалов: диэлектриков (пористое стекло [56], оксид алюминия [57]), металлов (никель, [58]) и полупроводников (в основном кремний, [33, 34]).
В последнее десятилетие стали появляться работы, посвященные электроосмотическим насосам на основе кремниевых мембран. В 2006 году вышла одна из немногих статей [33], в которой сообщалось о создании насоса на основе микроканального кремния (см. Рисунок 2) В этой работе были получены результаты, связывающие структуру кремниевых мембран (диаметр и длина круглых в поперечном сечении микроканалов) с характеристиками электроосмотического насоса (расход жидкости и создаваемое давление). Для исследования были выбраны мембраны, имеющие сквозные каналы, диаметр которых изменялся в пределах от 2 до 6 мкм при длине примерно 350 мкм. Авторы установили, что максимальный расход жидкости насосом увеличивался с ростом диаметра микроканалов, в то время как максимальное электроосмотическое давление уменьшалось. Полученные зависимости достаточно хорошо укладывались в теорию электроосмотического транспорта. Удельный расход жидкости составлял примерено 130 мклсм-2мин-1В-1см, что при прочих равных условиях было в пять раз больше аналогичного параметра электроосмотического насоса, изготовленного на основе стеклянных мембран [56]. Тем не менее, была отмечена нестабильная работа кремниевого насоса при малых потоках жидкости, что было обусловлено, по мнению авторов, локальным изменением рН раствора вблизи электродов. Причиной этого являлся электролиз водной компоненты буферного раствора на электродах устройства, питаемого от источника постоянного напряжения. 27
Электроосмотический насос на основе кремниевой мембраны, сечение каналов примерно 6 мкм, расстоянием между центрами примерно 8,5 мкм [33]: (а) СЭМ–изображения окисленной структуры, (б) схематическое изображение конструкции насоса с электродами спиральной формы, экспериментальные и теоретические зависимости максимального потока (в) и максимального давления (г) от прикладываемого напряжения
Следует также отметить работу [34], в которой был представлен электроосмотический насос на основе кремниевой микроканальной мембраны самой простой конструкции (см. Рисунок 3). Мембрана насоса толщиной более 500 мкм имела сквозные, круглые в сечении микроканалы диаметром 3,6 мкм, расположенные упорядоченно с поверхностной плотностью 5,4106 см-2. Полученные зависимости максимальных расхода и электроосмотического давления жидкости (деионизованная вода) от напряжения между электродами показали, что при напряжении 60 В этот простой насос способен выдать расход, равный 11,9 мклмин-1мм-2, и развить давление в 5,2 кПа. Используя упрощенные теоретические выкладки и результаты измерений, авторы вычислили фундаментальную для электрокинетических явлений величину дзета–потенциала.
Для системы «кремний – двуокись кремния – деионизованная вода» дзета– потенциал оказался равным минус 50,58 мВ. Авторы рекомендовали применять подобные электроосмотические насосы для транспорта жидкости в микрофлюидных системах, обращая внимание на то, что кремниевые микроканальные мембраны могут быть получены со структурными параметрами, изменяемыми в широких пределах. Для поперечных размеров каналов, с точки зрения авторов, интерес представлял субмикронный интервал, в котором электроосмотические давления могут быть достаточно высокими.
Следует подчеркнуть, что отсутствуют работы, в которых для изготовления электроосмотических насосов были использованы кремниевые микроканальные мембраны, имеющие каналы с поперечными размерами, превышающими 6 мкм. Этот момент имеет значение для создания микрофлюидных систем, в которых осуществляется транспорт растворов, содержащих объекты микронных размеров.
Феноменологическая модель получения упорядоченного микроканального кремния анодным травлением p–Si (100)
Для электроосмотических насосов были созданы микроканальные мембраны с решеткой каналов 44, 66, 1010, 1515 мкм2. Поверхность кремниевых структур была закрыта слоем термического SiO2 толщиной примерно 100 нм. Схема их изготовления и электронномикроскопические снимки их фронтальных поверхностей, полученные на сканирующем электронном микроскопе, представлены ранее в главе 2 на Рисунке 7 и на Рисунке 10 соответственно. Структурной особенностью этих мембран являлась различная морфология их торцевых поверхностей, что и было отражено на Рисунке 7, позиция 5. Фронтальная поверхность мембран всегда имела большую площадь занятых материалом участков (толщины стенок между микроканалами), чем противоположная тыльная поверхность. Это является следствием применяемой технологии изготовления мембран. Другими словами, поверхности у этих мембран имели разный коэффициент прозрачности (отношение площади, не занятой материалом, к общей площади), а именно: у фронтальной поверхности этот параметр был всегда меньше, чем у тыльной стороны.
Изготовленные асимметричные микроканальные мембраны помещались в симметричную двухкамерную ячейку, имеющую сквозной горизонтальный канал диаметром 3 мм с платиновыми электродами на границе с отводными вертикальными каналами, как схематично показано на Рисунке 17. Камера, в которую обращена фронтальная поверхность мембраны, обозначена цифрой 1, противоположная обозначена цифрой 2. Предложенная конструкция устройства позволяла измерять как максимальное давление, создаваемое насосом, так и объем перекачиваемой рабочей жидкости. Для измерения максимального давления калиброванные цилиндры присоединяли к вертикальным каналам камер. Для изучения расхода жидкости – к горизонтальным каналам. В последнем случае отводные каналы служили для удаления газовых продуктов электролиза воды на электродах. Расстояние между электродами с учетом толщины мембран и силиконовых уплотняющих колец, предотвращающих повреждение образца, составляло 8,4 мм.
Схемы транспортного устройства для двух вариантов измерений и фотографии установки приведены на Рисунке 17 и Рисунке 18 соответственно.
Влияние пространственных характеристик мембраны, напряженности внешнего электрического поля и типа раствора на электроосмотический транспорт жидкости В экспериментах по изучению электроосмотических потоков через микроканальные мембраны использовались деионизованная вода H2O и буферный раствор тетрабората натрия Na2B4O7 с концентрацией 1 мМ [81]. Выбор этих жидкостей был обусловлен их широким применением в биомедицинской практике. Исследования были проведены на транспортном устройстве с вертикально стоящими калиброванными капиллярами, схематично представленным на Рисунке 17 (а). При подаче напряжения между платиновыми электродами в следствие возникновении электроосмотического давления жидкость перекачивалась из одного вертикального капилляра в другой капилляр до тех пор, пока Pmax не уравновешивалось весом столба высотой, равной разности уровней жидкости в сообщающихся сосудах. Для краткости это давление, компенсирующее электроосмотическое давление, обозначалось как «высота столба» на графиках и в тексте.
Влияние поперечного размера микроканалов Как было установлено в экспериментах, электроосмотические потоки буферных растворов и воды всегда были направлены из анодной камеры в катодную, что свидетельствовало о катионном характере диффузного электрического слоя жидкостей на границе с окисленными кремниевыми стенками микроканалов. На Рисунке 19 приведены кривые нарастания компенсирующего давления во времени при работе электроосмотических насосов, выполненных на основе мембран с решеткой микроканалов 44, 66, 1010, 1515 мкм2 и, примерно, одной длиной каналов. Видно, что электроосмотический эффект, создаваемый буферным раствором тетрабората натрия при постоянной напряженности электрического поля, проявлялся тем сильнее, чем меньше были поперечные размеры микроканалов. Для мембраны 1515 мкм2 Рmax 0, для мембран 66 мкм2 и 1010 мкм2 компенсирующее давление вышло на уровень Рmax, а для мембраны 44 мкм2 к нему еще не подошло. Все это указывало на то, что с увеличением поперечного размера микроканалов уменьшалась величина Рmax. Полученные результаты полностью соответствовали предсказаниям теоретических расчетов, отраженных в формуле (23). Отметим, что микроканальные мембраны с решеткой каналов 1515 мкм2 электроосмос не проявляли. Влияние напряженности электрического поля
Используя насос с микроканальной мембраной 44 мкм2, демонстрирующий самый сильный электроосмотический эффект, и буферный раствор тетрабората натрия, были проведены измерения компенсирующего давления в зависимости от напряженности электрического поля. В экспериментах изменяли как величину напряжения между электродами, так и его поляризацию, оставляя один электрод постоянно заземленным. Тыльная поверхность мембраны была всегда обращена к этому заземленному электроду, расположенному в камере 2 (см. Рисунок 17). Как было отмечено ранее, электроосмотические потоки были всегда направлены в камеру с пониженным потенциалом, что указывало на отрицательное значение дзета–потенциала в системе «раствор – двуокись кремния – кремний».
Влияние пространственных характеристик мембраны, напряженности внешнего электрического поля и типа раствора на электроосмотический транспорт жидкости
При использовании сенсора в амперометрическом режиме измерений с внешней нагрузкой (см. Рисунок 28 (в)), интересным был вариант применения оптических индикаторов в качестве элемента внешней электрической цепи. Для оценки этой возможности необходимо было рассмотреть работу электрокинетического устройства как электрогенерирующей системы.
Одним из основных параметров любой подобной системы является ее внутреннее сопротивление, которое определяется как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания [91]: Гі=Г. (38) Измеряемый сенсором потенциал течения по существу представляет собой напряжение холостого хода, а ток, регистрируемый амперметром, является током короткого замыкания (см. рисунок 28 (а), рисунок 28 (б)) и раздел 4.4. Обе величины были установлены при использовании деионизованной воды в качестве рабочей жидкости при работе электрокинетического сенсора в потенциалометрическом и амперометрическом режимах. При давлении жидкости 4,9 кПа (высота столба воды 0,5 м) напряжение холостого хода равнялось 1,943 В, а ток короткого замыкания составлял 1,410 мкА. Значение внутреннего сопротивления, определенное указанным выше способом, получилось равным 1,375 МОм.
Характеризация сенсора, изготовленного на основе микроканальной матрицы 1010 мкм2 и собранного по схеме, представленной на Рисунке 28 (в), была выполнена при различных нагрузочных сопротивлениях от 1 кОм до 50 МОм, включая резистор с номиналом 1,375 МОм, и расходах воды в пределах от 45 до 180 мкл/с. Полученные зависимости напряжения и тока от сопротивления нагрузки представлены на Рисунке 47 (а) и на Рисунке 47 (б) соответственно. Проведенные эксперименты позволили определить мощность, выделяемую на нагрузочных сопротивлениях при их подключении к сенсору. (а)
Зависимости напряжения (а) и тока (б) в цепи от сопротивления внешней нагрузки при изменении расхода воды в диапазоне от 45 мкл/с (1) до 180 мкл/с (2) с шагом 13,5 мкл/с Зависимость мощности от величины нагрузочного сопротивления при различных расходах жидкости продемонстрирована на Рисунке 48. При нагрузочном сопротивлении 1,375 МОм на графике наблюдается отчетливо выраженный максимум, равный 0,602 мкВт, что в полной мере согласуется с теорией электрических цепей: максимальная мощность отдается электрогенератором в цепь при нагрузочном сопротивлении, равном внутреннему сопротивлению источника [91]. На Рисунке 49 приведены зависимости максимальных мощностей от расхода воды, полученные непосредственно из эксперимента с согласованной нагрузкой и с помощью расчетов по данным напряжений холостого хода и токов короткого замыкания при использовании формулы из теории цепей [91]:
Зависимости максимальных мощностей от расхода воды, полученные с помощью расчета (1) и из эксперимента с согласованной нагрузкой номиналом 1,375 МОм (2)
Таким образом, рассматривая электрокинетический сенсор потока жидкости как электрогенерирующий элемент с установленными выше параметрами, выявлено, что становится возможным согласованное подключение к нему электронных устройств, например, оптических индикаторов для визуального контроля за транспортом жидкости в микрофлюидных системах.
Показано, что потенциал течения изменялся в пределах от 0,5 до 2 В при расходах деионизованной воды от 45 до 180 мкл/с. Зависимость имела линейный характер с чувствительностью потенциалометрического микроканального сенсора 0,01 Вс/мкл. Стационарное и максимальное значение потенциала течения устанавливалось в пределах 200 мс.
Показано, что ток короткого замыкания изменялся в пределах от 0,25 до 1,4 мкА при расходах воды от 45 до 180 мкл/с. Зависимость имела линейный характер с чувствительностью амперометрического микроканального сенсора 0,007 мкАс/мкл.
Установлено, что линейный характер зависимости потенциала течения от расхода воды сохранялся при температурах от 10 до 35 C.
Установлена немонотонная зависимость потенциала течения от температуры среды с уменьшением значений при температурах более 25 C, что было обусловлено различным вкладом зависимых от температуры параметров, таких как вязкость и проводимость воды, дзета–потенциала системы.
Продемонстрирована сильная зависимость потенциала течения от концентрации электролита в водных растворах NaCl. С ростом концентрации соли в пределах от 1,5 до 150 мМ потенциал течения уменьшался вплоть до смены полярности при 150 мМ растворе (физиологический раствор). Предполагается, что последнее было обусловлено изменением знака дзета–потенциала системы.
Продемонстрирована возможность использования электрокинетического микроканального сенсора в качестве электрогенерирующего элемента для подключения регистрирующих электронных устройств.
Исследование отклика сенсора при взаимодействии чувствительного элемента с органическими и неорганическими жидкостями
По сравнению с водой сразу отмечаем высокую проводимость сенсора на всех стадиях, особенно в состоянии трехканальной проводимости, и, как и в случае с раствором уксусной кислоты, значительное уменьшение времени t3. В водных растворах гидроксид аммония диссоциирует на катионы аммония NH4+ и гидроксил–анионы OH-, находясь в равновесии с аммиаком NH3, обуславливающим резкий запах таких растворов. Ионы в жидкости создавали сравнительно высокую измеряемую проводимость сенсора ( G3 = 56,4 мкСм, G2 = 24,4 мкСм), а интенсивное испарение аммиака из микроканалов приводило к уменьшению концентрации соединения в растворе и, соответственно, проводимости (G2 = -7,8 мкСм).
Как и в случае водных растворов этанола, наблюдался аналогичный эффект приращения одноканальной проводимости G1 на величину G1 через время t1 (см. Таблица 4). Здесь можно прибегнуть той же схеме объяснения, предполагая, что смачивающий слой водного раствора аммиака увеличивает ширину области пространственного заряда в кремниевых стенках микроканальной мембраны и, тем самым, понижает ее проводимость. После испарения аммиака из смачивающего слоя на поверхности кремниевой микроканальной мембраны оставались только молекулы воды – проводимость сенсора подрастала.
Вода и этанол неограниченно смешиваются друг с другом, образуя раствор, в котором структура универсального растворителя (воды) изменяется в присутствии неэлектролита (этанола) [95]. Проводимость растворов уменьшается с увеличением концентрации спирта [96, 97]. Процесс испарения микролитровых капель концентрированных растворов с плоской поверхности подложки происходит при более интенсивном выделении молекул этанола, чем молекул воды, приводя, в конечном итоге, к практически нулевой концентрации спирта в испаряющихся остатках жидкости [98]. Эти известные экспериментальные факты были использованы в работе при анализе электронного отклика микроканального сенсора на водные растворы спирта.
На Рисунке 54 представлены результаты измерений проводимости G(t) для растворов с различной объемной концентрацией этанола. Видно, что по мере увеличения доли спирта в растворе происходили существенные изменения проводимости. Причем, каждому раствору из исследованных отвечала только своя, точно воспроизводимая форма зависимости «проводимость – время». Отражением наблюдаемых закономерных изменений G(t) стали графики, представленные на Рисунке 55 и на Рисунке 56, демонстрирующие изменение основных параметров, характеризующих отклик сенсора в зависимости от концентрации этанола и обобщенных в единой таблице (см. Таблица 4).
Электронный отклик сенсора на контакт с водой и водно–этанольными растворами объемом 3 мкл: (а) – вода (1) и водные растворы с концентрацией спирта 20 об. % (2), 50 об. % (3); (б) – растворы с концентрацией спирта 80 об. % (4) и 96 об. % (5)
Средние проводимости G3 , G2 и проводимость G1 имели немонотонный характер концентрационных зависимостей (см. Рисунок 55 (а)), в которых отразилась динамика двух процессов – растекание раствора по поверхности микроканального сенсора и испарение жидкости с изменением в пользу воды ее состава. Оба процесса приводят, как известно, к повышению проводимости сенсора [96, 97]. При низкой концентрации спирта в растворе, когда его концентрация составляла 20 об. %, основной вклад в увеличение проводимости вносил процесс растекания. На это указывала большая разница в значениях G3 и G2 в пользу первого параметра, а именно: G3 = 3,7 мкСм, в то время как связанная только с испарением раствора из микроканалов G2 составила величину всего 0,6 мкСм (см. Рисунок 55 (б)).
Параметры, характеризующие проводимость сенсора на разных стадиях регистрации электронного сигнала и представленные в зависимости от концентрации этанола в водном растворе объемом 3 мкл: (а) – средние значения проводимости G3 (1), G2 (2) и проводимость G1 (3); (б) – изменения проводимости G3 (1), G2 (2) и G1 (3). Интервал ошибок измерений указан с доверительной вероятностью 90 % При концентрации этанола в растворе 50 об. % испарение спирта становилось доминирующим процессом в нарастании проводимости (G3 = 1,1 мкСм, G2 = 5,3 мкСм), придавая характерную форму электронному отклику сенсора (см. Рисунок 54 (а)).
Сравнение этих двух сигналов с эталонной реакцией сенсора на ДВ, представленных электронными откликами 1, 2 и 3 на Рисунке 54 (а), наглядно демонстрирует трансформацию их формы по мере роста концентрации этанола в растворе. Сначала существенно изменилась трехканальная стадия проводимости, обусловленная растеканием 20 % раствора спирта по поверхности кремниевой микроканальной мембраны, отклик 2, а затем – двухканальная проводимость, вызванная испарением 50 % раствора из микроканалов, отклик 3. И все это происходило на фоне стремительного уменьшения времени пребывания сенсора в состоянии трехканальной проводимости t3, и достаточно устойчивого – двухканальной проводимости t2 (см. Рисунок 56).
При исследовании реакции микроканального сенсора на 50 % раствор этанола были обнаружены две особенности в поведении регистрируемой функции G(t), одна из которых отмечена кружком на выделенном фрагменте сигнала 3 на Рисунке 54 (а). Эти кратковременные (приблизительно 24 секунды) с амплитудой примерно 0,2 мкСм отклонения от обычно гладко спадающей временной зависимости G3 при переходе сенсора к двухканальной проводимости повторялись постоянно только для данного типа раствора. Вторая особенность, проявляющая себя на стадии одноканальной проводимости в виде участка длительностью t1 с пониженными значениями G1, была присуща всем водным растворам этанола с концентрацией спирта более либо равной 50 об. % (см. электронные отклики 3, 4 и 5 на Рисунке 54 и Таблица 4).
Отмеченный выше быстрый и кратковременный подъем G3 во время испарения 50 % раствора с поверхности чувствительного элемента (сигнал 3 на Рисунке 54 (а)) можно понять, привлекая результаты работы [95], в которой было показано, что при объемных концентрациях этанола в растворе в пределах от 20 об. % до 25 об. % происходило усиление водородных связей между молекулами воды. В результате наступала структурная перестройка жидкости, связанная с образованием гидратов этанола клатратного типа стехиометрического состава EtOH5H2O с сильными водородными связями. Наряду с этими доминирующими комплексами в растворах еще оставались ассоциаты воды, ассоциаты спирта и гидраты этанола второго типа, в которых на одну молекулу этанола в среднем приходилось от одной до двух молекул воды. В них водородные связи были ослаблены по сравнению с гидратами клатратного типа. В нашем случае при испарении 50 % раствора этанола в какой–то момент концентрация спирта уменьшалась до значений от 20 об. % до 25 об. %, и происходила отмеченная выше структурная перестройка жидкости. Как следствие, соотношение испаряющихся фракций смещалось еще больше в сторону этанола, и в результате на мгновение подрастала проводимость.