【摘要】：微流控芯片技術(shù)是一種可以把復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微縮集成到一塊小芯片上,實(shí)現(xiàn)微觀尺寸下控制,操作和檢測(cè)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(diǎn)。在微電子,微機(jī)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(yuǎn)的影響,被列為21世紀(jì)最為重要的前沿技術(shù)之一。同時(shí)對(duì)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(jià)格低廉、易與其他材料封合、低固化溫度等諸多優(yōu)點(diǎn),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(qiáng)、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(duì)于流體的控制,主要是通過微流泵來實(shí)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(dòng)。這些裝置通常還存在性能不強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間不久、設(shè)計(jì)制造復(fù)雜等缺點(diǎn),開發(fā)便攜式、無需外加能源的微泵進(jìn)行流體運(yùn)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(jì)主要利用PDMS制備的微泵進(jìn)行真空驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jìn)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(jì)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(dá)到35 min穩(wěn)定層流時(shí)間,整個(gè)泵送過程可以持續(xù)250 min;我們通過自制簡(jiǎn)單的流量計(jì)量?jī)x實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)算,其中最高流量可達(dá)12μL/min。PDMS海綿也可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸液態(tài)金屬灌滿微流管道芯片,制備簡(jiǎn)單的電路。同時(shí)真空脫氣處理的微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)自身的液態(tài)金屬的泵送過程,實(shí)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(diǎn)是制備方法簡(jiǎn)單、不需要外加電源、泵型微小化。第二,我們進(jìn)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(jiǎn)單的糖模板法制造PDMS海綿,再以聚乙烯醇(PVA)進(jìn)行親水改性,得到長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間大量地驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng),甚至?xí)捎谡舭l(fā)作用而導(dǎo)致“不停止的流動(dòng)”。其中穩(wěn)定層流時(shí)間可達(dá)24 h;在不斷更換親水海綿進(jìn)行泵送的情況下,能快速達(dá)到新的穩(wěn)定層流,這樣可以很好控制液體運(yùn)輸?shù)耐Ｖ古c進(jìn)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(xì)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(jià)易得,液體輸運(yùn)時(shí)間久,可長(zhǎng)時(shí)間(~2個(gè)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(gè)真空干燥器（即，P0≈ 10 kPa = 0.1 atm）一段時(shí)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(dá)到新 P1= 0.11 cm3（STP）/ cm3。因此，每 cm3的 PDMS 可以儲(chǔ)存空氣。脫氣后的 PDMS 再存儲(chǔ)空氣就好比于干燥的海綿進(jìn)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(dòng)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(jì)圖案[13, 26]，利用氣體溶解性的 PDM泵，將整個(gè)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(jì)[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(jì)[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(jì)[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(jì)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(xì)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(shí)現(xiàn)從16.67 nL s-1~ 233.34 nL s-1。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可控性，通過 PDMS 膜的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)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(duì)負(fù)或正）。但是，這種方法的缺點(diǎn)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(jì)算體積流體流量 QS

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本文編號(hào)：2782156