基于PDMS氣動(dòng)閥的微流體控制方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、流體的驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)對(duì)流體進(jìn)行輸送和分配，是實(shí)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(guò)程。在微流控系統(tǒng)中層流效應(yīng)顯著，充分、快速的混合對(duì)提高微系統(tǒng)中的反應(yīng)效率顯得尤為重要?；诰鄱谆柩跬?polydimethylsiloxane，PDMS)材料本身的優(yōu)勢(shì)和氣動(dòng)閥易于設(shè)計(jì)加工與集成化的優(yōu)點(diǎn)，以PDMS氣動(dòng)閥工作原理為基礎(chǔ)的流體控制技術(shù)越來(lái)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(dòng)閥的工作原理為基礎(chǔ)，分別對(duì)適用于微室中流體混合的氣動(dòng)混合方法，適用于微通道中流體混合的氣動(dòng)混合方法以及用于微流體快速轉(zhuǎn)移的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)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(guò)對(duì)流體混合、驅(qū)動(dòng)效率以及相關(guān)應(yīng)用的考察，證明了PDMS氣動(dòng)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(dòng)無(wú)序振蕩流微混合裝置的動(dòng)態(tài)聚丙烯酰胺凝膠陣列DNA雜交反應(yīng)體系。在該氣動(dòng)混合裝置的圓形流體微室

3、上方，集成了兩個(gè)交替工作的氣動(dòng)控制微室。當(dāng)氣動(dòng)膜厚度為100μm，驅(qū)動(dòng)氣壓為0.08 MPa，驅(qū)動(dòng)頻率為24 Hz時(shí)，通過(guò)氣動(dòng)膜的交替形變間歇擾動(dòng)流場(chǎng)產(chǎn)生的無(wú)序?qū)α鳎刮⑹覂?nèi)的流體在2 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全混合。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)氣動(dòng)混合過(guò)程中流場(chǎng)的變化進(jìn)行了模擬。將此氣動(dòng)混合裝置用于流體微室內(nèi)的DNA陣列雜交反應(yīng)時(shí)，混合30s后熒光信號(hào)增長(zhǎng)即進(jìn)入平臺(tái)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(jiǎn)單，且雜交后處理無(wú)需電泳，

4、以緩沖液清洗即可得到117倍的信噪比。相對(duì)于42℃下的常規(guī)DNA靜態(tài)雜交，利用本氣動(dòng)混合裝置在室溫下雜交30 s后，信號(hào)強(qiáng)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(dòng)噴射混合器，并將其用于CdS量子點(diǎn)合成。Y形的通道中設(shè)計(jì)了一個(gè)S形的流體混合結(jié)構(gòu)以及兩個(gè)流體阻礙壩，兩個(gè)氣動(dòng)控制微室位于S形混合結(jié)構(gòu)的正上方。在兩個(gè)氣動(dòng)微室交替擠壓流體并使之快速?zèng)_擊流體阻礙壩的過(guò)程中，產(chǎn)生了可以加速混合的強(qiáng)烈

5、無(wú)序?qū)α?。?dāng)驅(qū)動(dòng)膜厚度為100μm，驅(qū)動(dòng)壓力為0.26 MPa，驅(qū)動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，利用本裝置可以實(shí)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(dòng)混合裝置用于微流控芯片CdS量子點(diǎn)合成時(shí)，相對(duì)于常規(guī)方法，量子點(diǎn)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(dòng)-連續(xù)流動(dòng)芯片聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR)系統(tǒng)

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