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高聚物微流控芯片上集成化气动微阀的研制

作　者: 黄山石
导　师: 陈恒武; 黄江
学　校: 浙江大学
专　业: 分析化学
关键词: 微流控芯片气动微阀聚甲基丙烯酸甲酯
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

微流控芯片上的取样、反应、浓缩、分离和检测等基本操作都是在液体的流动过程中完成的,所以对微流体的操纵和控制是以微流控芯片为基础的芯片实验室的核心技术之一。微阀是微流控芯片的主要部件之一,它通过对微通道的闭合和开启实现对微流体的操控。气动微阀是以压缩气体作为致动力的一种有源阀,具有结构简单、性能可靠、易于集成化、适用范围广等优点,已成为微流控芯片上应用最为广泛的微阀。本文旨在热塑型高聚物微流控芯片上研制集成化气动微阀。第一章,介绍了微流控芯片上的微阀种类,着重介绍了其中气动微阀的工作原理。按照结构的不同将现有的气动微阀分为常开阀和常闭阀两大类,并对这两类微阀进行了比较。在此基础上,综述了气动微阀的研究进展,主要从芯片材质及封接方法、含氟薄膜作为弹性膜、圆弧化液路通道加工技术三方面进行阐述。最后介绍了气动微阀在各种领域的应用。第二章,研发了一种在PMMA塑料芯片上制备具有双层PDMS弹性膜的常开型气动微阀的方法。本文首先用热压法制备了带有液路通道或控制通道的PMMA基片,然后将这两种基片进行表面硅烷化,等离子体处理后分别与一层PDMS不可逆封接,形成液路半芯片与控制半芯片；然后依靠PDMS之间的自然粘合力,将两个半芯片进行贴合,可逆封接形成具有PMMA-PDMS···PDMS-PMMA结构的全芯片。这种新颖的制备常开型气动微阀的方法的优势为：①封接过程简单可靠,设备要求低；②可以单独置换控制芯片或液路芯片,可进一步降低成本。对微阀的性能进行了系统的表征,测试了封合强度、流速与液压的关系、微阀关闭时能承受的最大液压及微阀的耐久性,实验结果表明本微阀具有很高的封接强度、良好的开关性能及很好的耐用性。采用本法研制了两种带有集成化气动微阀(阵列)的PMMA微流控芯片。一是以气动微阀控制两相液滴的生成PMMA微流控芯片,利用微阀开启时间的长短控制生成液滴的大小,实验结果表明两者之间存在良好的线性关系。二是具有微阀阵列的微流动注射化学发光检测芯片,通过4个气动微阀协调开闭,形成一个定体积采样-注入系统,成功实现了过氧化氢的微流动注射化学发光测定,同时通过实验证实了单独置换液路芯片的可行性。第三章,研发了一种在PMMA塑料芯片上制备以全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜为致动膜的常开型气动微阀的新方法。FEP薄膜具有不透气、化学惰性、低吸附的特性,以它替代PDMS弹性膜制备气动微阀,则微阀芯片具有低吸附性、强耐腐蚀性等特点。但是,FEP高弹性模量给微阀的制备造成困难。常开型气动微阀要求液路通道的截面呈圆弧形,在热塑性材料上压制液路通道需要圆弧形截面凸起的阳模,这样的圆弧形阳模通常采用光胶回软法来制备,但是光胶回软法难以形成高宽深比圆弧通道(适合FEP膜)所对应的阳模。本章发明了利用通气后向外凸出的FEP薄膜作为母模,经PDMS软光刻法制备带有圆弧形截面凸起的高温树脂阳模,成功地在PMMA片上压制出高宽深比的圆弧形截面液路通道。在此基础上,另取一片FEP膜,用等离子体处理使FEP膜双面均具有可粘性,先后用树脂将FEP膜夹粘在PMMA液流基片和PMMA控制基片之间,制得整个芯片。表征了所制备的微阀在开／关状态下的流速-液压关系,并将三个微阀串联形成一个气动蠕动微泵,应用于液流的驱动,微泵的致动频率(每个阀每分钟开闭的次数)在1-20Hz之间流量与频率成线性关系。本论文的主要创新点为：1.研发了一种在PMMA芯片上制备常开型气动微阀的新方法,即将控制通道和液路通道分别与一片PDMS弹性薄膜不可逆封合成控制半芯片和液路半芯片,两半芯片再依靠PDMS间的自然粘合力,可逆封合成具有PMMA-PDMS···PDMS-PMMA四层结构的集成化气动微阀全芯片,解决了两层刚性PMMA基片分别不可逆封合于一层PDMS薄膜两面的技术难题,且两个半芯片可以单独更换,进一步降低了使用成本。2.发明了一种加工制备圆弧通道的新方法,即将FEP薄膜封合在通道基片上,利用气压使通道区域的FEP薄膜向上圆弧形凸起,以此为作为母模,成功制作出高宽深比的圆弧通道,从而在PMMA芯片上集成以FEP膜作为弹性膜的常开型气动微阀。该制备方法解决了制作高宽深比通道时,采用光胶回软法难以形成具有完美圆弧型阳模的难题。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-10
Abstract  10-13
目录  13-16
第一章文献综述  16-40
  1.1 引言  16-17
  1.2 气动微阀原理  17-21
    1.2.1 气动微阀简述  17
    1.2.2 常开型微阀  17-19
    1.2.3 常闭型微阀  19-20
    1.2.4 两种微阀比较  20-21
  1.3 气动微阀研究进展  21-30
    1.3.1 芯片材质及封接方法  21-24
    1.3.2 氟膜作为弹性膜  24-27
    1.3.3 圆弧化液路通道加工技术  27-30
  1.4 气动微阀的应用  30-37
  1.5 参考文献  37-40
第二章 PMMA微流控芯片双层弹性膜气动微阀的研制  40-59
  摘要  40
  2.1 引言  40-41
  2.2 实验部分  41-48
    2.2.1 实验仪器  41-42
    2.2.2 实验材料和试剂  42
    2.2.3 芯片制作  42-46
      2.2.3.1 PMMA基片的制作  43-45
      2.2.3.2 PDMS弹性膜的制作  45
      2.2.3.3 芯片封合  45-46
    2.2.4 微阀控制  46-48
    2.2.5 微阀性能表征  48
  2.3 结果与讨论  48-57
    2.3.1 芯片制作  48-51
      2.3.1.1 微阀构型的设计  48-50
      2.3.1.2 封合强度  50-51
    2.3.2 微阀性能测试  51-53
      2.3.2.1 流速与液压的关系  51-52
      2.3.2.2 微阀关闭时能承受的最大液压  52
      2.3.2.3 微阀耐久性测试  52-53
    2.3.3 四层微阀的应用  53-57
      2.3.3.1 单阀芯片控制形成液滴  53-54
      2.3.3.2 四阀阵列定体积采样芯片用于流动注射化学发光检测过氧化氢  54-57
  2.4 结论  57
  2.5 参考文献  57-59
第三章在PMMA芯片上制作以FEP作为弹性膜的气动微阀  59-78
  摘要  59
  3.1 引言  59-61
  3.2 实验部分  61-66
    3.2.1 实验仪器  61
    3.2.2 实验材料和试剂  61
    3.2.3 芯片制作  61-66
    3.2.4 微阀控制  66
  3.3 结果与讨论  66-76
    3.3.1 芯片制作  66-72
      3.3.1.1 FEP与PDMS性能比较  66-67
      3.3.1.2 常规方法圆弧化阳模(或通道)的结果  67-69
      3.3.1.3 FEP膜气压凸起成形法制备母阳模  69
      3.3.1.4 芯片封合  69-71
      3.3.1.5 不同宽度通道、不同气压下FEP膜凸起高度  71
      3.3.1.6 本方法与光胶回软法制备的通道轮廓对比  71-72
    3.3.2 微阀性能测试  72-74
      3.3.2.1 微阀开/关性能  72-73
      3.3.2.2 流速与液压的关系  73-74
      3.3.2.3 微阀耐久性测试  74
    3.3.3 微阀应用  74-76
  3.4 结论  76
  3.5 参考文献  76-78
作者简介  78

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