近年來(lái),微流控芯片技術(shù)由于其樣品用量少、分析時(shí)間短、靈敏度高、廉價(jià)、輕便等優(yōu)點(diǎn),在化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療診斷等方面得到廣泛的應(yīng)用。在微流控芯片中,流體的流動(dòng)行為操控對(duì)快速精確的分析檢測(cè)發(fā)揮著極其重要的作用。微流體的控制一般利用微閥門器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。迄今為止,研究人員設(shè)計(jì)制備了許多類型的微閥:主動(dòng)閥門通過(guò)氣壓、機(jī)械壓、光、電、磁、熱等外部動(dòng)力改變孔道形狀和狀態(tài),實(shí)現(xiàn)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉操作;被動(dòng)微閥不需外力驅(qū)動(dòng),而僅僅需要孔道本身的結(jié)構(gòu)或修飾來(lái)實(shí)現(xiàn)微閥的開(kāi)啟和關(guān)閉,包括逆止微閥和毛細(xì)微閥。其中,毛細(xì)微閥一般通過(guò)幾何形貌的突變和表面浸潤(rùn)性的變化實(shí)現(xiàn)。除了以上兩種典型的毛細(xì)微閥,近年來(lái)研究人員也報(bào)道了基于各向異性浸潤(rùn)性表面的微閥制備及微孔道中的流體控制方法,包括不對(duì)稱親疏水修飾的橢圓硅柱陣列及傾斜的納米線等等。但是這些各向異性浸潤(rùn)性表面的制備過(guò)程比較復(fù)雜,這可能制約它們?cè)谖⒘骺匦酒械膶?shí)際應(yīng)用。納流控芯片是微流控芯片與納米技術(shù)結(jié)合起來(lái)的新興研究方向。納流控芯片的飛速發(fā)展得益于前期一系列微納加工技術(shù)的鋪墊。傳統(tǒng)納米通道制備方法包括光刻、直寫(xiě)技術(shù)(電子束刻蝕和聚焦離子束銑削)、干涉光刻和納米壓印等。利用傳統(tǒng)方法可以制備高精度、可重復(fù)性好的納米通道,但制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,制備時(shí)間長(zhǎng),成本高。最近,研究人員開(kāi)發(fā)一些非傳統(tǒng)的納米通道制備技術(shù),用以彌補(bǔ)或取代傳統(tǒng)制備技術(shù)。非傳統(tǒng)方法包括基于納米線的犧牲層技術(shù)和基于彈性材料機(jī)械形變行為(褶皺、裂紋及結(jié)構(gòu)坍塌)的技術(shù)等。非傳統(tǒng)方法具有制備簡(jiǎn)單,成本低,耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn),但它們?cè)诰群涂芍貜?fù)性方面存在一定的缺陷。本論文利用圖案化微結(jié)構(gòu)制備各向異性浸潤(rùn)性表面,研究了它們對(duì)微流體的控制,并利用納米結(jié)構(gòu)的納米縫隙制備了具有超高表面體積比的納米通道,主要分為以下三個(gè)部分。在第二章中,我們制備了親水-疏水修飾的化學(xué)圖案化條帶微結(jié)構(gòu),并將其引入到微孔道中,實(shí)現(xiàn)了微孔道中流體的各向異性流動(dòng)。水在微孔道中的各向異性流動(dòng)行為是由修飾表面的兩種材料之間的表面能的差異引起的。我們通過(guò)研究在不同驅(qū)動(dòng)壓力下的流體流動(dòng)行為發(fā)現(xiàn),隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加各向異性流動(dòng)性減弱。對(duì)于一種參數(shù)的化學(xué)圖案化條帶結(jié)構(gòu),存在一個(gè)閾值壓力值,其可以衡量該結(jié)構(gòu)對(duì)微孔道中流體流動(dòng)行為的調(diào)控能力。我們研究了圖案周期、親水區(qū)域和疏水區(qū)域?qū)挾缺壤�、修飾材料表面能差異及微孔道尺寸等因素�?duì)化學(xué)圖案化表面的流體調(diào)控能力的影響。基于流體的各向異性流動(dòng)行為,化學(xué)圖案化表面可以作為微流控閥門器件,通過(guò)對(duì)流體驅(qū)動(dòng)壓力的調(diào)控實(shí)現(xiàn)微閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。最后,我們通過(guò)巧妙地結(jié)合上述幾種影響因素,實(shí)現(xiàn)了微孔道中流體沿著“虛擬”界面的流動(dòng),這種―虛擬‖的界面為微流控芯片提供了一種氣-液界面。因此,化學(xué)圖案化表面為微流控芯片中流體的調(diào)控提供了另一種可行的方法,這對(duì)微流控芯片技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。在第三章中,我們把具有各向異性浸潤(rùn)性質(zhì)的形貌硅條帶結(jié)構(gòu)引入到微流控芯片中,簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了微孔道中的流體流動(dòng)方向的控制。水在微孔道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動(dòng)行為,這要?dú)w因于水在平行和垂直于條帶方向上流動(dòng)時(shí)所需克服的能壘的差異,在平行的孔道中,流體需要克服的能壘比垂直方向上的小。兩種因素引起了在垂直的方向上的能壘,分別為基底形貌高度引起Laplace壓力的變化和吉布斯不等式條件引起的Laplace壓力。我們通過(guò)研究在不同驅(qū)動(dòng)壓力下的流體流動(dòng)行為發(fā)現(xiàn),當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力大于某個(gè)臨界值時(shí),流體在微孔道中不再呈現(xiàn)單向流動(dòng)。我們定義此臨界值為閾值壓力,用其衡量形貌圖案化表面對(duì)微孔道中流體流動(dòng)行為的調(diào)控能力。接下來(lái),我們研究了結(jié)構(gòu)的周期、高度、粗糙度、表面修飾材料及微孔道尺寸等因素對(duì)形貌硅條帶的微流體控制能力的影響�；诹黧w的單向流動(dòng)行為,形貌圖案化表面可以作為微流控閥門器件,通過(guò)對(duì)流體驅(qū)動(dòng)壓力的調(diào)控實(shí)現(xiàn)微閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。最后,基于水在孔道中的單向流動(dòng)行為,我們用形貌圖案化表面實(shí)現(xiàn)了微孔道中的氣-液分離,為微流控芯片中的非連續(xù)兩相的分離提供了另一種有效的方法。在第四章中,我們提出了基于納米柱之間納米間隙構(gòu)筑納米通道的新策略。我們結(jié)合傳統(tǒng)光刻技術(shù)與膠體晶體刻蝕方法,在硅基底的選定區(qū)域制備了高度有序的納米柱陣列,并利用納米結(jié)構(gòu)之間的納米縫隙作為納米通道連接微孔道,制備了微-納流控芯片。與傳統(tǒng)的單納米通道相比,我們制備的納米通道是大量,相互連接的納米間隙網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)調(diào)控刻蝕條件,可以準(zhǔn)確地控制兩個(gè)相鄰納米柱之間的縫隙大小,進(jìn)一步?jīng)Q定納米通道的尺寸。此外,我們也制備了高深寬比和高密度的納米縫隙,實(shí)現(xiàn)了納米通道尺寸的高度可控及靈活可調(diào)。這種納米通道制備方法適用于多種材質(zhì)芯片的制備,包括PDMS-Si,PDMS-玻璃及Si-玻璃材質(zhì)芯片等。通過(guò)測(cè)試納米孔道中不同濃度電解質(zhì)的電導(dǎo)發(fā)現(xiàn),基于納米縫隙的納米通道具有典型的表面電荷控制離子輸運(yùn)性質(zhì)。由于納米通道的離子選擇性通過(guò)性質(zhì),微納米芯片可用于富集低濃度樣品。此外,該制備方法與光刻技術(shù)和微孔道制備技術(shù)兼容,容易實(shí)現(xiàn)大面積、不同圖案和復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì),有利于芯片的集成。我們制備的納米通道具有高通量和超高表面體積比的特點(diǎn),可應(yīng)用于制備納流控能量轉(zhuǎn)化器件及分子分離等方面。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

圖.勺曰白.
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