CD-like全血分析芯片内压缩空气的定量泵送范建华12，邓永波、宣明1，周松12，武俊峰、刘永顺12，吴一辉〃（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）降低导致压缩空气腔内所储存气体压强的释放对血清的泵送作用，实现了离心式微流控芯片上血清的定量提取。基于等温气体的热力学平衡理论，分析了压缩空气腔压缩体积和虹吸管内液面位置与电机转速之间的关系，给出了基于压缩空气辅助作用的离心式血清提取结构的设计规律。以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基材，采用C2激光加工工艺，制作了离心式血清提取芯片，并测试了不同转速下被压缩气体的体积和血清液面在虹吸管中的位置。，整个离心式微流控芯片由5层组成，3层PMMA和2层压敏胶，芯片上层PMMA包括通气孔和进样孔，中层PMMA为结构层，包括所有的微通道结构，底层PMMA为封装层，每两层PMMA之间用压敏胶实现不可逆键合。芯片上层和封装层的厚度为0.8mm.芯片结构层的厚度为1mm，压敏胶厚度为0.25 mm，芯片直径为110mm，芯片的具体结构及尺寸参数如所示。

　　2.2血清提取所加工离心式微流控芯片内的功能单元提取由进样孔、通气孔、进样腔、导管、分离腔、压缩空气腔、虹吸管和血清提取腔组成，如所示。

　　的压缩腔结构用来封堵气体。计算模型如所示，根据等温气体的热力学平衡理论，可得：其中：九、分别为压缩空气腔未被压缩时的压强和体积，pi、W为离心机高速旋转时，空气压缩腔内气体的压强和体积。在高速旋转时，虹吸管中血清和导管中的血清应处于同一离心半径上。

　　因此，压强pi为：其中。为高速旋转时的角速度，AV―V.一为气体的压缩体积，沁分别为压缩后压缩空气腔和分离腔血清液面对应的离心半径。由式（3）可知，尺寸参数会对压缩体积产生影响，改变压缩体积有两种方式：在转速不变的情况下，当把整体结构向着边缘方向移动，使离心半径增大，离心力增大，压缩空气腔中的压缩体积也随之增大。

　　改变压缩空气腔体积使之增大时，气体容易被压缩，在转速一定的情况下，CRi+沁）CRi―只2）变小，AV增大。

　　（a）压缩空气腔未被压缩时的体积V.（1）在定的转速下压缩空气腔的体积ViRiR为压缩空气腔和分离腔血清液面的高度微流控芯片计算模型（c）压缩体积AV应大于V3，以便发生虹吸吸管内血清回流体积与血清提取腔内被提取血清体积之和。因此，为保证血清提取功能的有效性，应满足：其中i为离心机低转速旋转时的角速度，V3为当转速降低时，离心力小于压缩空气所储存的压力，压缩空气所储存的压强开始释放，所释放的压强同时开始驱动虹吸管和导管内的血清回流，至虹吸管内血清到达虹吸管顶点后，压缩空气持续压强持续释放，进而驱动血清越过虹吸管顶点流入血清提取腔。在气体释放过程中，压缩气体的体积变化量等于导管内回流血清的体积、虹（c）中所示导管内回流血清的体积和虹吸管内血清回流体积之和。

　　在血清的提取过程，血细胞在通道内所受的力为离心力和斯托克斯黏拽力，大小分别为；10其中为离心力场角速度，体积为Vp血细胞的径向距离为r，p为血细胞的密度，p为血清的密度“为黏性系数，R为血细胞半径，U为血胞速度。由以上两式联立得出血细胞的沉淀速率；可以看出，分离时间与角速度的平方成反比。

　　对于定量的全血来说，沉淀速率越大，分离所需时间越短，适当地提高转速可以减少分离血清的时间。

　　根据以上分析，角速度是影响压缩体积AV、导管和虹吸管内血清液面离心半径的关键因素，且角速度越大，压缩体积越大，转速降低时提取血清的体积越大。因此，需要根据对血清提取体积的需求，确定离心机转速。

　　所使用的血细胞密度为1. 103kg/m3，血清的密度为1.026X103kg/m3，血细胞取平均直径为7.2pm.外为标准大气压101 300N/m2，密度p近似取118.47mm3.根据，=2nw/60，可得出相应转速下的角速度值，由式（3）可计算出不同转速下的被压缩量，计算值如表1所示。

　　表1不同转速下计算的压缩体积Tab.1被压缩量/pL 3结果与讨论积定的前提下，转速越大，气体越容易被压缩，能驱动血清回流的量也就越多。

　　转速对压缩体积的影响在已有的离心式微流控芯片研究中，采用基于毛细的虹吸管提取血液分离所得的血清，当芯片处于高速旋转时，液体的液面要低于虹吸管最高点，虹吸管起到阀机制的作用；当转速降低或停止转动时，在微通道表面足够亲水的情况下，毛细力克服离心力，驱动液体流过虹吸管最高点，直至虹吸发生。上述过程中，虹吸管内的毛细需要对其表面进行化学或物理处理，这样就会增大芯片制作的工艺复杂性，而且表面处理的不稳定性会导致芯片的功能可靠性和长期稳定性差。

　　而基于压缩空气的泵送作用，通过在血液分离腔上连接压缩空气腔，实现了高转速下血液的分离和对压缩空气腔内气体的封堵与压缩，并通过转速降低导致的压缩空气腔内所储存气体压强的释放对血清的泵送作用，实现了离心式微流控芯片上血清的定量提取，避免了芯片的表面处理，保证了芯片功能的长期稳定性和可靠性。

　　在分离全血时，由于离心力的作用，分离腔和虹吸管中的血液液面处于同一离心半径。在血液未分离前，必须保证血液不能达到虹吸管的顶点；待血液彻底分离后，降低转速，被压缩的气体驱动血清流过虹吸管顶点，进而实现血清的提取。该操作过程中，虹吸管顶点的离心半径是决定虹吸管能否有效地起到阀机制作用的关键，对于这一问题，在不同的转速下测试了虹吸管内液面的离心半径，如所示。表明，转速越大，虹吸管内液面的离心半径越大，虹吸管的阀作用越可靠。其原因在于转速越大，压缩空气腔内的压缩体积越大。

　　转速对全血在虹吸管中位置的影响全血分离过程中，为了保证血清的纯度，应防止血细胞和分离的血清发生二次混合，原因在于离心机的降速会导致血细胞通过两种途径回流到血清中是由于血细胞和血清存在浓度差，血细胞通过界面扩散进入血清；二是高速旋转时，在离心力下血细胞被压缩，产生变形，具有弹性势能，转速降低时弹性势能得到释放，血细胞与血清的分离界面受到扰动，而使血细胞与血清再次混合。针对这问题，血液分离结构采用圆形腔上连接微通道，同时于微通道侧连接压缩空气腔，以通过微通道内血细胞与血清液面小幅度晃动，减弱再次混合，从而保证血清的纯度。