基于PDMS氣動閥的微流體控制方法及其應(yīng)用研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、流體的驅(qū)動和混合是微流控系統(tǒng)最常用的流體控制技術(shù)。微流體驅(qū)動系統(tǒng)對流體進行輸送和分配,是實現(xiàn)微流體控制的前提和基礎(chǔ)。而混合則是任何化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)中必不可少的過程。在微流控系統(tǒng)中層流效應(yīng)顯著,充分、快速的混合對提高微系統(tǒng)中的反應(yīng)效率顯得尤為重要。基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料本身的優(yōu)勢和氣動閥易于設(shè)計加工與集成化的優(yōu)點,以PDMS氣動閥工作原理為基礎(chǔ)的流體控制技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用于微泵和

2、微混合器的研發(fā)。本文以PDMS氣動閥的工作原理為基礎(chǔ),分別對適用于微室中流體混合的氣動混合方法,適用于微通道中流體混合的氣動混合方法以及用于微流體快速轉(zhuǎn)移的氣動驅(qū)動方法進行了研究,并將其應(yīng)用于微流控化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)。通過對流體混合、驅(qū)動效率以及相關(guān)應(yīng)用的考察,證明了PDMS氣動流體控制方法所具有的優(yōu)越性。
  本文首先提出了一種基于氣動無序振蕩流微混合裝置的動態(tài)聚丙烯酰胺凝膠陣列DNA雜交反應(yīng)體系。在該氣動混合裝置的圓形流體微室

3、上方,集成了兩個交替工作的氣動控制微室。當(dāng)氣動膜厚度為100μm,驅(qū)動氣壓為0.08 MPa,驅(qū)動頻率為24 Hz時,通過氣動膜的交替形變間歇擾動流場產(chǎn)生的無序?qū)α鳎刮⑹覂?nèi)的流體在2 s內(nèi)實現(xiàn)了完全混合。通過數(shù)值計算,對氣動混合過程中流場的變化進行了模擬。將此氣動混合裝置用于流體微室內(nèi)的DNA陣列雜交反應(yīng)時,混合30s后熒光信號增長即進入平臺區(qū)。采用聚丙烯酰胺凝膠固定丙烯酰胺修飾的寡核苷酸的方法,前處理步驟簡單,且雜交后處理無需電泳,

4、以緩沖液清洗即可得到117倍的信噪比。相對于42℃下的常規(guī)DNA靜態(tài)雜交,利用本氣動混合裝置在室溫下雜交30 s后,信號強度提高了11.5倍。
  以前文工作為基礎(chǔ),發(fā)展了一種集成于微通道中的新型PDMS氣動噴射混合器,并將其用于CdS量子點合成。Y形的通道中設(shè)計了一個S形的流體混合結(jié)構(gòu)以及兩個流體阻礙壩,兩個氣動控制微室位于S形混合結(jié)構(gòu)的正上方。在兩個氣動微室交替擠壓流體并使之快速沖擊流體阻礙壩的過程中,產(chǎn)生了可以加速混合的強烈

5、無序?qū)α鳌.?dāng)驅(qū)動膜厚度為100μm,驅(qū)動壓力為0.26 MPa,驅(qū)動頻率為50 Hz時,利用本裝置可以實現(xiàn)流量范圍在1-650μL/min之間流體的快速混合。由于具有高效的流體混合能力及較寬的流量適用范圍,在將此氣動混合裝置用于微流控芯片CdS量子點合成時,相對于常規(guī)方法,量子點的粒徑更小且均一程度得到了大幅改善。
  最后,建立了擠壓驅(qū)動-連續(xù)流動芯片聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)系統(tǒng)

6、。設(shè)計了具有三角形流體通道的連續(xù)流動三階PCR芯片和具有直線型流體通道的連續(xù)流動二階PCR芯片,氣動控制通道分別位于流體通道的正上方。當(dāng)PDMS氣動膜厚度為100μm,驅(qū)動氣壓為0.07 MPa時,0.5 s內(nèi)可以實現(xiàn)流體在兩個微室之間的快速轉(zhuǎn)移。本系統(tǒng)在12 min內(nèi)實現(xiàn)了130 bp DNA片段的兩階PCR擴增,24 min之內(nèi)分別實現(xiàn)了144 bp及200 bp DNA片段的三階PCR擴增。相對于具有固定循環(huán)數(shù)的逶迤通道型連續(xù)流流

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