Page 14 - 《应用声学》2023年第6期
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不同宽度流道，以及有无气泡时的C扫描图像，验证
0 引言 方法可行性。
微流控芯片是将样品预处理、分离、检测和分 1 超声C扫描原理
析过程集成在几平方厘米的小尺度芯片上，具有小
体积、低消耗、多功能集成、高质量传输、高分析通 图 1 给出了超声 C 扫描示意图。其中，聚焦探
量等优异性能 [1−2] ，在生物医学、生命科学、致病菌 头通过逆压电效应激励产生超声信号，利用水层作
检测、食品安全检测等领域得到广泛应用 [3−4] 。流 为耦合剂传递至微流控芯片，并在芯片内部传播。
道作为微流控芯片的主要结构，一旦出现堵塞、破 探头在芯片上方沿着 X 轴、Y 轴和 Z 轴运动，通过
边、断裂或制作参数不准等问题，将导致流道尺寸 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
改变，而 2% 的微小偏差会造成 16% 的流体阻力变
化 [5] 。因此，微流控芯片流道的特征变化是制备和 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
应用过程中的关注重点。
生反射，其接收信号幅值不同于与其他区域。
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。目前，用于微流控 r = P r = Z 2 − Z 1 , (1)
P o Z 2 + Z 1
芯片的检测技术主要有质谱检测、荧光检测、电化
式(1) 中，r 为界面的声压反射率，P r 为反射波声压，
学检测、化学发光检测等 [6−7] ，同时常用光学技术
P o 为入射波声压，Z 1 和 Z 2 分别为微流控芯片与流
分析流道特征。光学相干层析成像在表征微流控芯
道内部介质的声阻抗。
片内部结构的同时，可以确定流道高度、宽度与横
基于一定步进沿X 轴和Y 轴移动探头，采集每
截面积等关键参数，与激光扫描共聚焦显微镜检测
个位置点的 A 扫描信号，可得指定区域的超声 C 扫
[5]
结果相比，流道高度测量误差仅为 4% 。利用数字
描图像。像素点颜色反映所选闸门内的信号幅值大
全息显微检测技术可获得流道宽度和表面缺陷信
小，即可获得流道形状等信息，并实施特征分析和定
息，宽度80 µm流道的测量结果为78.7 µm 。利用
[8]
量检测 [16−18] 。
微反射特性分析不同区域反射率，也可得到微流控
芯片流道的三维图像，且流道形状、尺寸与设计值
ଊ
一致性较好 [9] 。 ݀
采用光学技术表征微流控芯片流道结构需要 ඵ X ඵ
Y
精密、高成本的光学仪器和训练有素的技术人员。 Z
相比之下，超声检测技术具有成本低、适用性广和
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数字化、自动化成像等优势。其中，超声C扫描技术
利用存在声阻抗差异界面的反射回波，高分辨力呈
现界面信息 [10] ，已被广泛应用于航空航天 [11] 、铁路 图 1 微流控芯片超声 C 扫描示意图
运输 [12] 和电气工程 [13] 等领域，并拓展到多边形蜂 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic C-scan for
窝结构 [14] 、扩散焊接头 [15] 等复杂结构评价。结合 microfluidic chip
超声 C 扫描技术有助于辨识结构内部的微细特征，
2 实验样品与设备
如利用中心频率 20 MHz 探头可检出钛合金扩散焊
焊缝内部宽度 200 µm 以上的缺陷 [15] 。因此，对微 如图 2 所示，实验对象为两个具有不同流道宽
流控芯片实施 C 扫描检测，有望获得流道特征详细 度和布局的微流控芯片试样。微流控芯片上层材料
信息。 为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)，
本文应用超声 C 扫描技术分析微流控芯片流 下层材料为有机玻璃，二者以等离子键合。微流控
道特征，比较了不同中心频率探头与扫描步进下的 芯片尺寸为 50 mm×20 mm，芯片、PDMS 层、有机
流道辨识结果，并进行定量评价。在此基础上，给出 玻璃层的平均厚度如表1所示。
