介质上电润湿原理及其应用
摘 要：介绍了介质上电润湿的研究背景以及基本理论和基本的运动操控方式，描述了EWOD在芯片实验室、微透镜、光纤、电子显示器等方面的原理及应用。最后介绍了介质上电润湿所面对的困难和前景。
关键词：电润湿 微流体 表面张力
1 简介
电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角。早在1875年，法国科学家Lippmann观察到在汞和电解液之间加电压，会出现的毛细下降现象；并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在电润湿模型中引入了介电层，以尽量消除电解的发生，这被称为介质上电润湿（electrowetting-on-dielectric，EWOD）（图1）[1]。
图1 介质上的电湿润(EWOD)
介质上电润湿是一种电控表面张力驱动方式。它通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性。典型的EWOD器件通常采用三层结构（图2），即受控液滴被夹在上、下两极板之间。下极板由衬底、微电极阵列、绝缘层以及疏水层构成。疏水层可以保证液滴运动过程的平滑和稳定。上下极板之间的填充物质可以是空气或者是硅油，硅油可以作为润滑剂，降低液滴的驱动阻尼，使驱动电压下降，而且可以减少液滴的蒸发，但它可能会对液滴产生污染，从而一定程度上限制了它在生物化学等方面的应用。在EWOD装置中，绝缘层材料也有多种选择，如表面覆盖Teflon的SiO2[2]、Teflon[3]。
图2 典型EWOD的三层结构
另一种EWOD装置采用共面电极设计，正负电极全部做在下极板[4]~[7]。如图3所示，这种共面电极装置无需上极板；并且可以加工在PCB电路板上，同时可集成高密度电极[5][8]。
图3 (a)单层共面微电极阵列[9]. (b)PCB上的EWOD电极板剖面[10]
2 基本原理
如图4(a)所示，初始情况下忽略重力的影响，液滴在疏水介质层表面的三相接触角θ0可以由Young氏方程表示为：
cosθ0=(γsg - γsl)／γ1g
其中γsg、γsl和γ1g分别是疏水固体/空气、疏水固体/液滴以及液滴/空气之间的表面张力。一般来讲，离散液滴在疏水表面的三相接触角都大于90o。当在电极和液滴之间施加电势V后，疏水固体/液滴之间的表面张力变小，其关系由Lippmann方程描述为：
γs1v = γsl –ε0εr v2／2d
其中, γs1、γs1v分别是外加电势前、后的疏水固体/液滴之间的表面张力， ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常，d是疏水介质层有效厚度。由于疏水固体/液滴表面张力变小，导致疏水表面的液滴三相接触角变小，见图4(b)。外加电势后的三相接触角θv可以由上面两方程推导而成，即由Lippmann -Young方程表示为
cosθv=cosθ0+ε0εr v2／2d·γ1g
图4 介质上电润湿系统示意图
由Lippmann-Young方程可以看出,液滴的三相接触角随外加电势v的绝对值增大而变小,而且它与介质层的厚度、介电常数都有关。
图5 三层结构驱动器的截面图
图5是三层结构驱动器的截面图。当开关k开启时，液滴的形状成对称分布。见图中虚线部分，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θ0，忽略重力的影响，其值都为疏水表面的初始接触角；当开关k闭合时，由于介质上电润湿作用，液滴与右侧极板间的接触角发生变化，见图中实线部分。由于上极板疏水层厚度很薄，上层疏水层电容很大，外加电压的分压很小，因此在上极板的接触角θt几乎不发生变化；而外加电压大部分都压降在下极板上，所以液滴与下极板的接触角明显变小，其值θV可以由上述Lippmann-Young方程近似描述。正因为电润湿效应使液滴在右侧下电极上的三相接触角变小，造成液滴不对称形变并产生内部压强差，从而实现了对液滴的操作和控制。无上极板的EWOD结构原理与此类似。
3 液滴的基本操控
3.1 移动
液滴在电极阵列上的运动是通过对电极施加电压来进行控制的。图6表示的是0.1 M KCl的运动控制。当电极所施加的电压达到一定值时，液滴就会在表面张力作用下向带电电极板移动[11]。因此可根据特定的电压操纵顺序达到对液滴进行控制的目的。
图6 液滴的移动
3.2 液滴的分裂
在EWOD器件上，液滴分裂与合并也是基本的操控方式。Cho等人对液滴的分裂进行了研究[12]。如图7所示，在一个采用三块电极的装置上，当两边电极带电时，带电极板的亲水性增加，导致液滴与下极板的接触角θb2减小，液滴曲率半径r2增大，并且向带电极板移动。由于中间电极不带电，且在整个运动过程中液滴的体积是常数，因此中间部分液滴开始变细，直到被拉断，从而向两边带电极板方向分裂成2个液滴。
图7 液滴的分裂
图8表示是一个EWOD装置上的小液滴从大液滴(储液槽)中分离的过程[13]。当流体运动到所要形成液滴的位置时，中间电极断电，液滴就会被分离出来。采用这种方法的关键在于提供一定的电压，使得两端液体存在一个合适的内压力差，这个内压力差足够使得中间液体往两边收缩断裂。
图8 液滴的形成
3.3 不同液滴的混合
目前微流体之间的混合一般采用两种方式：一是在微流体内部产生紊流，二是采用多层流体之间的扩散来达到混合的目的。由于前者需要流体的高速运动或需要外界提供能量输入，因此目前流行的是第二种方式。然而在2003年，Paik 等人[14]提出了一种新的微流体
他们先将不同液滴在电极板上合并，然后让合并后的液滴沿着一定的路径液滴的混合方案。
运动来达到混合的效果。图9中，一滴荧光液滴与一滴清水混合，并在相邻的两块电极板上做往复运动。图中分别显示了不同运动次数下的混合情况。从图中可以看出，用这种方式对微流体液滴进行混合具有良好的效果。同时，他们还在不同条件下进行研究。实验证明了液滴完全混合所需的时间随液滴运动所经过的电极板数量增加而减少，并且混合时间与液滴运动速度成反比[15]。
图9 电极阵列上液滴的合并
4 介质上电润湿的应用
4.1 芯片实验室(Lab-on-Chip)
EWOD在芯片实验室方面的应用研究最主要是由Duke University的Richard Fair和UCLA的Kim等课题组推进的。EWOD的优点在于可以利用可编程的电极阵列对液滴进行精确、迅速的控制。Kim、Fair等课题组对液滴的移动、分裂、合并、混合等做了大量研究。对于微升体积的液滴，当外加电压超过某一阈值时，便可使液滴产生移动。液滴移动速度随外加电压增大而迅速增大，其速度量级可达到cm/s。目前对EWOD研究的主要目标是使其运动激活电压降到20V以下，这样可大大简化并促进便携医疗、检测设备的发展。
Huh等人[16]提出了利用EWOD来控制微流道中水-空气两相流体（图10），通过激活微流道底部的电极板可以在毫秒级的时间内改变水流的路径。Cheng、Hsiung等[17]设计了基于EWOD的微阀（图11），通过外加电压控制微阀的开关。当外加电压时，流体对Teflon的亲水性增加，从而流入管道；当撤去外加电压时，Telfon的疏水性使得流体在此区域断开，达到关闭阀门的作用。
图10 (a)未加电压前，水流在中间 (b)加电压后，水流在左侧