【摘要】：微流控芯片技術(shù)是一種可以把復(fù)雜的實驗系統(tǒng)微縮集成到一塊小芯片上,實現(xiàn)微觀尺寸下控制,操作和檢測復(fù)雜流體的技術(shù),具有操作方便、節(jié)約環(huán)保、高效安全等特點。在微電子,微機械及生物工程與納米技術(shù)領(lǐng)域里逐漸發(fā)展成為一門全新交叉學(xué)科。近年來微流控技術(shù)的快速發(fā)展,已經(jīng)在化學(xué)、醫(yī)藥及生命科學(xué)等領(lǐng)域上產(chǎn)生了深遠的影響,被列為21世紀最為重要的前沿技術(shù)之一。同時對制備微流控芯片的工藝材料提出了更高的要求,而聚二甲基硅氧烷(PDMS)因具有無毒、光透性好、價格低廉、易與其他材料封合、低固化溫度等諸多優(yōu)點,已成為目前應(yīng)用最廣泛的微流控芯片材料之一,其所制備的微流控芯片尺寸小、功能強、效率高、易于集成,因此在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、免疫學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。在微流控體系中,對于流體的控制,主要是通過微流泵來實現(xiàn),然而現(xiàn)階段的這種流體控制裝置大多需要外置電源,并且體積較大不方便移動。這些裝置通常還存在性能不強、持續(xù)時間不久、設(shè)計制造復(fù)雜等缺點,開發(fā)便攜式、無需外加能源的微泵進行流體運輸與控制的研究引起了研究者們的廣泛關(guān)注。本畢業(yè)設(shè)計主要利用PDMS制備的微泵進行真空驅(qū)動液體,和親水性的PDMS海綿泵的“不間斷”泵送液體。具體內(nèi)容主要包括以下兩個方面:第一,我們利用真空處理過的PDMS海綿微泵與PDMS芯片微泵進行液體與液態(tài)金屬的泵送以及性能的探究。其中PDMS海綿微泵是以方糖模板法制備。首先,將方糖浸泡在預(yù)固化的PDMS前驅(qū)體和交聯(lián)劑質(zhì)量比為10:1的混合液體中并使其填滿方糖孔隙,然后將PDMS固化;用熱水浴溶解方糖然后烘干所得到的PDMS海綿半成品;最后再以PDMS封裝固化。利用體積法計算出制備的海綿的孔隙率大約73%。PDMS海綿在使用前需真空脫氣處理,其搭配芯片使用可以達到35 min穩(wěn)定層流時間,整個泵送過程可以持續(xù)250 min;我們通過自制簡單的流量計量儀實現(xiàn)流量的計算,其中最高流量可達12μL/min。PDMS海綿也可實現(xiàn)運輸液態(tài)金屬灌滿微流管道芯片,制備簡單的電路。同時真空脫氣處理的微流控芯片可以實現(xiàn)自身的液態(tài)金屬的泵送過程,實現(xiàn)復(fù)雜微流控芯片液態(tài)金屬的圖案化。該方法的主要優(yōu)點是制備方法簡單、不需要外加電源、泵型微小化。第二,我們進行了基于PDMS海綿泵的研發(fā),提出一種親水的海綿微泵。我們首先通過簡單的糖模板法制造PDMS海綿,再以聚乙烯醇(PVA)進行親水改性,得到長期高效親水的海綿。這種海綿微泵搭載在微流控芯片上,可以長時間大量地驅(qū)動液體流動,甚至?xí)捎谡舭l(fā)作用而導(dǎo)致“不停止的流動”。其中穩(wěn)定層流時間可達24 h;在不斷更換親水海綿進行泵送的情況下,能快速達到新的穩(wěn)定層流,這樣可以很好控制液體運輸?shù)耐Ｖ古c進行;由于其優(yōu)越的性能,這種海綿微泵將在微流控領(lǐng)域,特別是細胞培養(yǎng)、微反應(yīng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。該方法制備的PVA-PDMS親水海綿泵,在材料選用方面比較廉價易得,液體輸運時間久,可長時間(~2個月)保持其高親水性能。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O634.41
【圖文】：

聚二甲基硅氧烷微泵的制備及其應(yīng)用[atm]中的平衡氣體濃度。N2和 O2吸附于 PDMS 中，在比較廣符合亨利定律。氣體溶解在 PDMS 中的平衡濃度與 PDMS 周圍的氣體分壓成片放在一個真空干燥器（即，P0≈ 10 kPa = 0.1 atm）一段時間后據(jù)（1）式，脫氣后的 PDMS 中的平衡空氣濃度為 C0= SPDMSSTP）/ cm3，其中 SPDMS≈ 0.8 SN2 0.2 SO2= 0.11 cm3（），P0= 0.1 atm。當(dāng)預(yù)抽真空的 PDMS 片返回到大氣中（即，P），PDMS 的表面開始吸收空氣（主要是 N2和 O2），以達到新 P1= 0.11 cm3（STP）/ cm3。因此，每 cm3的 PDMS 可以儲存空氣。脫氣后的 PDMS 再存儲空氣就好比于干燥的海綿進行的1 所示[24]。

b) 利用PDMS的氣體溶解性或c, d) PDMS的滲透性的不同類型的真空驅(qū)動無電源微泵法[13, 14, 26-28]。Fig.2 a, b) Different types of vacuum-driven power-free micropumping methodutilizing the gas solubility or c, d) permeability of PDMS[13, 14, 26-28].如圖 2 所示，圖 2 a) 是一種 2D 設(shè)計圖案[13, 26]，利用氣體溶解性的 PDM泵，將整個裝置在真空環(huán)境中預(yù)先抽真空。圖 2 b) 是一種利用氣體溶解性DMS 微泵的 3D 設(shè)計[27]，PDMS 平板是在真空環(huán)境中預(yù)抽真空脫氣處理過的 2 c) 利用氣體滲透性的 PDMS 微型泵的 3D 設(shè)計[14]，使外部真空泵連接到器通道的端口。圖 2 d) 利用 PDMS 的氣體滲透性的微型泵的 2D 設(shè)計[28]，注射器可以產(chǎn)生真空環(huán)境。如第 2 節(jié)（方程（3））所討論的，體積流體流量 QS的計算可以按0 1 0(t) ( )(t) exp( / ) (7)SA D C CQ FA k tl

[29]。圖3 利用氣體PDMS的滲透性和玻璃的毛細作用力的復(fù)雜泵送方法[29]。Fig.3 A hybrid pumping method that utilizes the gas permeability of PDMSand the capillary effect of glass[29].圖3是一種復(fù)雜的流體泵送方式，該設(shè)備主要有壓力源端口、PDMS薄膜層、頂端玻璃層、玻璃管道層、底部玻璃層五部分組成。其中該設(shè)備的微流控芯片由玻璃制成，通過調(diào)節(jié)控制壓力、PDMS 膜的表面積和厚度，流體流量可實現(xiàn)從16.67 nL s-1~ 233.34 nL s-1。這種方法的優(yōu)點是可控性，通過 PDMS 膜的穩(wěn)態(tài)擴散氣體流量 F 可以調(diào)節(jié)泵送流率和各種參數(shù)，保持恒定的真空度水平可實現(xiàn)更長的泵送能力，以及泵送的雙向性取決于壓力差的極性（即相對負或正）。但是，這種方法的缺點是復(fù)雜且多層，如主流道，控制器管道層和薄膜層都是必需的，且控制器通道需要連接外在的真空源。類似于等式（7）計算體積流體流量 QS

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本文編號：2782156