基于數(shù)字化液滴微噴射的微流控芯片制備技術(shù)及實驗研究.pdf

1、微流控芯片是現(xiàn)代分析科學(xué)的前沿技術(shù)，是微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）的主要研究方向，將對生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域帶來革命性的影響。它在很小的芯片上集成通道、反應(yīng)池、檢測器等微元件，用以執(zhí)行采樣、稀釋、加樣、反應(yīng)、分離、檢測等單元操作功能，結(jié)合一定的外部設(shè)備實現(xiàn)快速、自動的“試樣進、數(shù)據(jù)出”的生化分析。
　　微流控芯片的制備通常采用光刻、蝕刻等工藝，需要昂貴的儀器設(shè)備和潔凈實驗室以及嫻熟的制作技能，不便在普通化學(xué)和生化實驗室

2、中推廣。微流控芯片的加工技術(shù)難以滿足當前微流控學(xué)快速發(fā)展的需要，例如玻璃微流控芯片封接難度大，集成度低;用于復(fù)制聚合物芯片的陽模加工工藝復(fù)雜，高深寬比和三維微陽模的制作方法尚稀見報道，紙質(zhì)微流控芯片制作工藝復(fù)雜等。本文以微流控芯片的制備技術(shù)為目標，系統(tǒng)地研究基于數(shù)字化液滴微噴射技術(shù)的紙質(zhì)微流控芯片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的制備，并對所制備的微流控芯片應(yīng)用展開研究。
　　對脈沖慣性力主導(dǎo)下的微流邊界層流固摩擦耦合驅(qū)動微

3、噴嘴內(nèi)流體進行了理論分析，通過求解黏性連續(xù)介質(zhì)流體的運動微分方程組，得出了在微流體脈沖驅(qū)動-控制下，系統(tǒng)參量對一維變徑玻璃微噴嘴內(nèi)的流體運動速度的影響規(guī)律?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，采用Ansys13.0中fluent模塊對微液滴噴射主液滴及衛(wèi)星液滴形成過程進行了數(shù)值模擬，以顯微頻閃拍攝系統(tǒng)觀測了數(shù)字化液滴微噴射過程。
　　根據(jù)數(shù)字化液滴微噴射對微流體器件結(jié)構(gòu)要求，研究了基于熱變形的玻璃微噴嘴制備工藝，分別研制了拉鍛集成式0.5mm-2.

4、0mm外徑玻璃微噴嘴制備儀和4.0mm-7.5mm外徑玻璃微噴嘴制備儀，考察了加熱時間、加熱電壓等基本參數(shù)對拉制、鍛制工藝性能的影響，并制作了針柄外徑為1.0mm、1.6mm和6.5mm的玻璃微噴嘴。拉鍛集成式玻璃微噴嘴制各儀集成了拉制、鍛制工藝，制作的外徑6.5mm玻璃微噴嘴增大了儲液管容量，有利于高粘度液滴微噴射，為數(shù)字化液滴微噴射提供了器件基礎(chǔ)。
　　研究了系統(tǒng)參量對數(shù)字化微噴射穩(wěn)定性和微噴射液滴體積的影響。結(jié)果表明，需合理

5、控制微噴射距離、驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、微噴嘴內(nèi)液體填充量等微噴射參數(shù)以實現(xiàn)穩(wěn)定微噴射，通過合理控制驅(qū)動參數(shù)，可以實現(xiàn)微液滴體積控制。為確定合適的驅(qū)動條件以控制微液滴形態(tài)、大小，抑制衛(wèi)星滴生成、提高噴射的穩(wěn)定性及一致性提供了實驗依據(jù)。理論分析了微液滴與基板碰撞過程，得出了微液滴在水平基板上碰撞后最大鋪展直徑的主要影響因素。以Ansys13.0的fluent模塊數(shù)值模擬了100μm直徑微液滴與基板碰撞過程及碰撞速度、液體表面張力系數(shù)對碰撞過程

6、的影響。分析了微液線的數(shù)字化微噴射成型過程，提出液滴重疊系數(shù)概念，為濾紙上或玻璃基板上沉積石蠟線條提供了理論依據(jù)。
　　基于數(shù)字化液滴微噴射技術(shù)，分別提出了一種新型的紙質(zhì)微流體器件和PDMS微流體器件制作方法。以壓電作動器，以外徑為6.5mm的硼硅酸鹽玻璃微噴嘴，分別將石蠟液滴按微流控圖形微噴射至濾紙和石英玻璃基板，之后濾紙上的石蠟圖形經(jīng)過加熱工藝形成紙質(zhì)微流控芯片，石英玻璃基板上的石蠟陽模經(jīng)過PDMS倒模、鍵合等工藝制作成為PD

7、MS微流控芯片。以制備的“十字型”紙質(zhì)微流控芯片實現(xiàn)了葡萄糖、蛋白質(zhì)、PH測定的多重分析，以陣列式紙質(zhì)微流體器件實現(xiàn)了蛋白濃度分析、葡萄糖濃度分析、PH分析，同時以制備的“Y型”和方形紙質(zhì)微反應(yīng)器實現(xiàn)了NaOH與酚酞的微化學(xué)反應(yīng)。以制備的PDMS微流控芯片實現(xiàn)了亮藍溶液和檸檬黃溶液的微混合。結(jié)果表明，制備的微流控芯片能夠應(yīng)用于各種生化分析實驗。石蠟材料成本低、來源廣，玻璃微噴嘴具有制作過程簡單、成本低、化學(xué)惰性好、表面光滑等優(yōu)點?；跀?shù)