基于超声C扫描分析技术，实现微流控芯片流道特征分析

MEMS 2022-11-06 00:00

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微流控芯片是将样品预处理、分离、检测和分析过程集成在几平方厘米的小尺度芯片，具有小体积、低消耗、多功能集成、高质量传输、高分析通量等优异性能，在生物医学、生命科学、致病菌检测、食品安全检测等领域得到广泛应用。但微流控芯片体积较小，且流道尺寸处于微米量级，使得难以直接获取流道特征。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自大连理工大学无损检测研究所的研究人员于《应用声学》期刊发表论文，应用超声C扫描技术分析微流控芯片流道特征，比较了不同中心频率探头与扫描步进下的流道辨识结果，并进行定量评价。

图1给出了超声C扫描示意图。其中，聚焦探头通过逆压电效应激励产生超声信号，利用水层作为耦合剂传递至微流控芯片，并在芯片内部传播。探头在芯片上方沿着X轴、Y轴和Z轴运动，通过控制Z轴使焦点位于流道表面。设置扫查范围，使探头沿着X轴和Y轴按规定路径运动，覆盖芯片范围。当超声信号在传播过程中遇到流道与芯片的异质界面时，根据材料声学特性差异，部分能量将会发生反射，其接收信号幅值不同于其他区域。

图1 微流控芯片超声C扫描示意图

如图2所示，实验对象为两个具有不同流道宽度和布局的微流控芯片试样。微流控芯片上层材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），下层材料为有机玻璃，二者以等离子键合。

图2 微流控芯片试样及流道示意图（单位：μm）

超声C扫描结果与探头类型、扫描步进等检测参数直接相关。基于此，研究人员对比了不同检测参数下的微流控芯片C 扫描图像，并分析流道表征结果。针对试样1，选用中心频率5MHz与10MHz的聚焦探头，扫描步进0.1mm，图3给出了对应的超声C扫描图像。结果显示，中心频率5MHz探头所得图像较为模糊；相比之下，随着检测频率提升，取向多变的流道轮廓表征效果得到改善。图4给出了C扫描图像中流道横截面区域的颜色幅值变化曲线。对比可见，5MHz探头检测时的流道间峰谷值波动较小，而10MHz检测频率下的曲线起伏明显，且相对更加平滑，有助于确定流道数量及变化。因此，应尽量选择高频（如10MHz以上）、小焦斑探头检测微细尺寸流道，以提升流道特征辨识能力。

图3 不同检测频率下的试样1超声C扫描图像

图4 不同检测频率C扫描图像流道横截面幅值变化曲线

扫描步进主要影响成像效率和检测效果。研究中利用中心频率10MHz探头，分别采用0.5mm、0.2mm和0.1mm扫描步进，对流道宽度200μm的试样1进行超声C扫描检测，结果如图5所示。在不同扫描步进下，均可辨识流道特征变化，但表征效果存在差异。结果显示，虽然检测频率和增益等参数相同，但流道宽度仅为200μm，扫描步进越大，越难以捕捉到流道区域的峰值信息，导致C扫描图像分辨力降低。因此，实际检测中应选择小的扫描步进检测微细尺寸流道，以提高流道表征分辨力和定量精度。

图5 不同扫描步进下的试样1超声C扫描图像

综上所述，微流控芯片流道宽度处于微米尺度，存在特征辨识困难的问题。该研究选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片，采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15MHz、10MHz和5MHz的聚焦探头实施水浸C扫描检测，并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明，对于流道宽度200μm的微流控芯片，当探头中心频率不低于10MHz、扫描步进不超过0.1mm时，成像分辨力和流道表征效果最佳，且流道中心间距测量误差不超过5%。

论文链接：

https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2121.O4.20221031.1742.002.html

延伸阅读：

《微流控初创公司调研》