近年來,微流控芯片技術由于其樣品用量少、分析時間短、靈敏度高、廉價、輕便等優(yōu)點,在化學、生物化學、醫(yī)療診斷等方面得到廣泛的應用。在微流控芯片中,流體的流動行為操控對快速精確的分析檢測發(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實現(xiàn)。迄今為止,研究人員設計制備了許多類型的微閥:主動閥門通過氣壓、機械壓、光、電、磁、熱等外部動力改變孔道形狀和狀態(tài),實現(xiàn)閥的開啟和關閉操作;被動微閥不需外力驅(qū)動,而僅僅需要孔道本身的結(jié)構(gòu)或修飾來實現(xiàn)微閥的開啟和關閉,包括逆止微閥和毛細微閥。其中,毛細微閥一般通過幾何形貌的突變和表面浸潤性的變化實現(xiàn)。除了以上兩種典型的毛細微閥,近年來研究人員也報道了基于各向異性浸潤性表面的微閥制備及微孔道中的流體控制方法,包括不對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性表面的制備過程比較復雜,這可能制約它們在微流控芯片中的實際應用。納流控芯片是微流控芯片與納米技術結(jié)合起來的新興研究方向。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的鋪墊。傳統(tǒng)納米通道制備方法包括光刻、直寫技術(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、可重復性好的納米通道,但制備過程相對復雜,制備時間長,成本高。最近,研究人員開發(fā)一些非傳統(tǒng)的納米通道制備技術,用以彌補或取代傳統(tǒng)制備技術。非傳統(tǒng)方法包括基于納米線的犧牲層技術和基于彈性材料機械形變行為(褶皺、裂紋及結(jié)構(gòu)坍塌)的技術等。非傳統(tǒng)方法具有制備簡單,成本低,耗時短等優(yōu)點,但它們在精度和可重復性方面存在一定的缺陷。本論文利用圖案化微結(jié)構(gòu)制備各向異性浸潤性表面,研究了它們對微流體的控制,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,主要分為以下三個部分。在第二章中,我們制備了親水-疏水修飾的化學圖案化條帶微結(jié)構(gòu),并將其引入到微孔道中,實現(xiàn)了微孔道中流體的各向異性流動。水在微孔道中的各向異性流動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。我們通過研究在不同驅(qū)動壓力下的流體流動行為發(fā)現(xiàn),隨著驅(qū)動壓力的增加各向異性流動性減弱。對于一種參數(shù)的化學圖案化條帶結(jié)構(gòu),存在一個閾值壓力值,其可以衡量該結(jié)構(gòu)對微孔道中流體流動行為的調(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對化學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行為,化學圖案化表面可以作為微流控閥門器件,通過對流體驅(qū)動壓力的調(diào)控實現(xiàn)微閥的開啟和關閉。最后,我們通過巧妙地結(jié)合上述幾種影響因素,實現(xiàn)了微孔道中流體沿著“虛擬”界面的流動,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,這對微流控芯片技術的發(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性質(zhì)的形貌硅條帶結(jié)構(gòu)引入到微流控芯片中,簡單有效地實現(xiàn)了微孔道中的流體流動方向的控制。水在微孔道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動行為,這要歸因于水在平行和垂直于條帶方向上流動時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。我們通過研究在不同驅(qū)動壓力下的流體流動行為發(fā)現(xiàn),當驅(qū)動壓力大于某個臨界值時,流體在微孔道中不再呈現(xiàn)單向流動。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微孔道中流體流動行為的調(diào)控能力。接下來,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形貌硅條帶的微流體控制能力的影響�；诹黧w的單向流動行為,形貌圖案化表面可以作為微流控閥門器件,通過對流體驅(qū)動壓力的調(diào)控實現(xiàn)微閥的開啟和關閉。最后,基于水在孔道中的單向流動行為,我們用形貌圖案化表面實現(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。通過調(diào)控刻蝕條件,可以準確地控制兩個相鄰納米柱之間的縫隙大小,進一步?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。通過測試納米孔道中不同濃度電解質(zhì)的電導發(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性質(zhì)。由于納米通道的離子選擇性通過性質(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和微孔道制備技術兼容,容易實現(xiàn)大面積、不同圖案和復雜的芯片設計,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,可應用于制備納流控能量轉(zhuǎn)化器件及分子分離等方面。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

圖.勺曰白.
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本文編號：2889621