用于关键区域过程地电监测的微流控芯片

摘要

我们使用一种先进的微加工技术进行微观地球物理数据采集的方法，以研究关键区域中的耦合过程。研究重点在于开发一种在配备有电极的微流控芯片上使用频谱感应极化（SIP）方法进行复杂电导率采集的技术。SIP是一种具有监测生物地球化学过程潜力的创新检测方法。然而，由于缺乏对这些过程的微观可视化，SIP响应的解释仍然存在争议。这种方法在微米尺度上的应用使得在良好的控制条件下工作，并通过高速和高分辨率显微镜进行实时监测成为可能。它直接观察了关键区域中的微观反应传输过程，并对纯方解石的溶解进行了监测，这是水-矿物相互作用中常见的一种地球化学反应，作为研究的类似物。通过图像处理强调了SIP响应与溶解之间的强烈相关性。这些结果表明，所提出的技术进步将通过SIP观察为理解关键区域过程提供更深入的理解。

一、介绍

（CZ）这一概念，指出它是从冠层到未改变岩石的近地表环境。人类活动对这一自然环境的破坏使其得名“关键区域”，因为这里蕴藏着大部分的饮用水资源和陆地生命。对关键区域内水-岩石相互作用的深入理解在许多应用科学和工程领域中都非常重要，包括污染物转移和矿物反应。方解石是关键区域中的主要矿物之一，其反应传输研究对于溶解驱动喀斯特化的风险管理以及通过沉淀进行的地下生物修复等应用具有重要意义。此外，方解石反应性的表征在各个尺度上都是相关的，从理解其底层的微观机制到预测其对流域行为的影响。因此，关键区域的研究需要基于对所涉及的空气、水、土壤、生物和岩石基质之间机制表征的跨学科和多尺度方法。总的来说，关键区域是许多重要科学研究的焦点，需要综合各种方法来全面理解这个复杂而关键的环境系统。

水文地球物理方法，这些方法基于对地下物理性质（密度、电导率、弹性波传播速度和磁化率）的采集，并提出了开发适当的技术（重力学、电学、电磁学和地震学）以非侵入性和低成本的方式监测水文和生物地球化学过程。与时间消耗大的同位素或盐标示物技术相比，这种方法更具优势。在现有技术中，地球电学方法已经证明了它们监测这些过程的能力。现在，它们是环境研究中与关键区域表征相关的标准水文地球物理工具。

本文提出了一种新型的电极采集微模型。我们的目的是评估在微流控实验中使用地球电方法来研究代表CZ的反应性输运过程。

二、材料和方法

本节总结了SIP地质电学方法的理论，然后介绍了配备电极的微模型的设计，最后提出了应用于方解石溶解监测的微流体地质电采集实验方案。

带有电极的微模型的设计

微流控芯片的设计如图1所示，其尺寸见表1。该微流控芯片遵循在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中成型的直线通道的几何形状，并粘接在一个沉积了四个电极的玻璃基板上。每个电极由一个圆形头和一个方形电接触组成。圆头在通道内，与电解质接触，电接触在外面。圆头通过通道壁下的一条细轨道与电接触点相连。

图1 微流控芯片设计的三维草图。该微模型由一个用PDMS成型的直通道组成。它被粘在玻璃基板上，在上面四个电极沉积在玻璃基板上。这些电极由两层叠加的铬制成，以便更好地附着在玻璃表面上，顶部是金。电极间距相等，并遵循Wenner-α配置，用于电流注入（C1和C2）和电位测量（P1和P2）。

表1 微模型的特点

微加工的微模型包括电极

以下是制造微模型中的电极的关键步骤的简要概述：

1、清洗玻璃基板：使用Decon Neutracon溶液清洗玻璃基板，以避免任何有机污染。

2、涂覆光致抗蚀剂：在经过六甲基二硅胺烷(HMDS)处理的基板上，先涂覆1.5 μm厚的Shipley 1813光致抗蚀剂，再涂覆2 μm厚的LOR20B光致抗蚀剂。选择这样的厚度是为了在金属化后获得更好的剥离效果。

3、曝光：在365纳米波长下，以90 mJ cm−2的能量进行曝光，通过光掩模使暴露部分变弱。

4、显影：将基板浸入MF319显影液中，显影出电极的轮廓。

5、金属沉积：使用等离子体磁控溅射技术，先后沉积40纳米的铬(Cr)层和360纳米的金(Au)层。

6、剥离：使用SVC14剥离液进行剥离处理。

7、注意事项：铬(Cr)用于确保金(Au)更好地附着在玻璃基板上。金具有不受腐蚀影响的优点。文献中关于SIP采

8、集的不同类型电极的测试表明，与非极化电极（例如Ag–AgCl、Cu–CuSO4）相比，金电极具有良好的结果。需要注意的是，电极是沉积在玻璃表面上，因此它们的厚度比通道壁要厚。然而，与通道相比，电极的总厚度仍然较小（0.4<<150 μm，见Table 1）。

这些步骤描述了在微加工过程中制造微模型电极的流程。这些电极可用于各种微流体和微电子应用中。

三、结果与讨论

直接可视化方解石溶解

以下是方解石溶解过程中的一系列图像观察结果关键信息的简要概述：

1、方解石样本尺寸减小，表面变得越来越不粗糙。

2、溶解的晶粒呈现出在流动方向上的长条形，暴露于酸流涌入的侧边溶解更多（尤其在图2h中可见）。

3、方解石溶解产生二氧化碳（CO2）气泡。

4、气泡的行为与Soulaine等人所做的观察相似。首先是小气泡的成核，然后是邻近气泡的合并，形成由小气泡提供的大而均匀分布的气泡（图2d-l）。

5、当气泡非常接近并阻碍酸的循环时（图2o），大气泡突然脱落（图2p）。

6、总体而言，约0.3立方毫米的方解石样本在4.2小时内完全溶解。

图2     1、获取了四个（a, e, i 和 m）同相和（b, f, j 和 n）正交的电导率光谱，这些光谱是在不同的时间点获取的。

2、标记为 S0 的光谱是在开始酸注入之前，在用 S0 溶液平衡的通道上，饱和方解石的测量结果。

3、其他光谱是选择了七个时间点，用粉色圆盘标记，从 t0 到 t6。

4、在所有光谱中，由于来自电网的噪声，已删除 50 Hz 和 100 Hz 的数据。

5、提供了与这七个时间点相对应的图像（c, d, g, h, k, l, o 和 p），这些图像是从系列图像中获取的，放大倍数为 ×5。

6、每个图像中的垂直线表示通道壁，HCl 酸溶液的流动是从顶部到底部垂直流动。

7、图像（o）和（p）是系列中的下一组图像，相隔 30 秒拍摄，显示了大气泡的突然脱落。

8、在每个图像上，用白色轮廓突出了样本的初始形状。

SIP（Surface Imaging Photography）监测是一种用于可视化酸到达的方法

以下是在溶解启动和图像采集的同时，启动了SIP（Surface Imaging Photography）采集的关键信息的简要概述：

1、在图2a和b中，绘制了时间序列的第一个测量光谱。

2、与通道用初始溶液S0饱和时获得的光谱相比，对于最高频率（即最早的时间），这些光谱重叠。

3、对于频率低于126 Hz的光谱，时间序列的第一个测量光谱具有强烈变化的行为。

4、这种趋势的断裂是由于酸在电极之间的到达所引起的。

5、假设这与溶解的开始相对应，并被称为时间零点。

6、对于图2中的图像也考虑了这种时间延迟。

四、结论

本文介绍了这项研究的重要性和意义，以及未来的研究方向。

1、该研究是首次尝试在微流控芯片上进行临界区域地球化学反应的电性表征。

2、地球物理方法是地球科学界重要的监测工具，而微缩化是一个真正的技术挑战。

3、该研究成功开发了一种在该尺度上工作良好的设备。

4、通过比较光学图像采集与方解石溶解的SIP调查获得的独特实验结果，对溶解方解石复杂电导率的物理解释有了更深入的理解。

5、使用地球物理检测方法的这种小尺度方法有望在理解自然过程方面取得重大进展。

6、未来的工作将致力于改进2D SIP采集设备，以引入空间离散化，这对于描述临界区（CZ）过程很重要。

7、更广泛地说，这项新技术将肯定有助于研究大量研究领域，因为SIP是一种有前途的调查技术，可以深入了解结构属性和表面状态。