高聚物微流控芯片上集成化氣動(dòng)微閥的研制.pdf

1、微流控芯片上的取樣、反應(yīng)、濃縮、分離和檢測(cè)等基本操作都是在液體的流動(dòng)過(guò)程中完成的，所以對(duì)微流體的操縱和控制是以微流控芯片為基礎(chǔ)的芯片實(shí)驗(yàn)室的核心技術(shù)之一。微閥是微流控芯片的主要部件之一，它通過(guò)對(duì)微通道的閉合和開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的操控。氣動(dòng)微閥是以壓縮氣體作為致動(dòng)力的一種有源閥，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、易于集成化、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為微流控芯片上應(yīng)用最為廣泛的微閥。本文旨在熱塑型高聚物微流控芯片上研制集成化氣動(dòng)微閥。
　　第一章，

2、介紹了微流控芯片上的微閥種類(lèi)，著重介紹了其中氣動(dòng)微閥的工作原理。按照結(jié)構(gòu)的不同將現(xiàn)有的氣動(dòng)微閥分為常開(kāi)閥和常閉閥兩大類(lèi)，并對(duì)這兩類(lèi)微閥進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，綜述了氣動(dòng)微閥的研究進(jìn)展，主要從芯片材質(zhì)及封接方法、含氟薄膜作為彈性膜、圓弧化液路通道加工技術(shù)三方面進(jìn)行闡述。最后介紹了氣動(dòng)微閥在各種領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　第二章，研發(fā)了一種在PMMA塑料芯片上制備具有雙層PDMS彈性膜的常開(kāi)型氣動(dòng)微閥的方法。本文首先用熱壓法制備了帶有液路通道或

3、控制通道的PMMA基片，然后將這兩種基片進(jìn)行表面硅烷化，等離子體處理后分別與一層PDMS不可逆封接，形成液路半芯片與控制半芯片;然后依靠PDMS之間的自然粘合力，將兩個(gè)半芯片進(jìn)行貼合，可逆封接形成具有PMMA-PDMS…PDMS-PMMA結(jié)構(gòu)的全芯片。這種新穎的制備常開(kāi)型氣動(dòng)微閥的方法的優(yōu)勢(shì)為:①封接過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，設(shè)備要求低;②可以單獨(dú)置換控制芯片或液路芯片，可進(jìn)一步降低成本。對(duì)微閥的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，測(cè)試了封合強(qiáng)度、流速與液壓的關(guān)

4、系、微閥關(guān)閉時(shí)能承受的最大液壓及微閥的耐久性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本微閥具有很高的封接強(qiáng)度、良好的開(kāi)關(guān)性能及很好的耐用性。采用本法研制了兩種帶有集成化氣動(dòng)微閥（陣列）的PMMA微流控芯片。一是以氣動(dòng)微閥控制兩相液滴的生成PMMA微流控芯片，利用微閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短控制生成液滴的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者之間存在良好的線性關(guān)系。二是具有微閥陣列的微流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光檢測(cè)芯片，通過(guò)4個(gè)氣動(dòng)微閥協(xié)調(diào)開(kāi)閉，形成一個(gè)定體積采樣/注入系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了過(guò)氧化氫的微流

5、動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光測(cè)定，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了單獨(dú)置換液路芯片的可行性。
　　第三章，研發(fā)了一種在PMMA塑料芯片上制備以全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜為致動(dòng)膜的常開(kāi)型氣動(dòng)微閥的新方法。FEP薄膜具有不透氣、化學(xué)惰性、低吸附的特性，以它替代PDMS彈性膜制備氣動(dòng)微閥，則微閥芯片具有低吸附性、強(qiáng)耐腐蝕性等特點(diǎn)。但是，F(xiàn)EP高彈性模量給微閥的制備造成困難。常開(kāi)型氣動(dòng)微閥要求液路通道的截面呈圓弧形，在熱塑性材料上壓制液路通道需要圓弧形截面凸起

6、的陽(yáng)模，這樣的圓弧形陽(yáng)模通常采用光膠回軟法來(lái)制備，但是光膠回軟法難以形成高寬深比圓弧通道（適合FEP膜）所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)模。本章發(fā)明了利用通氣后向外凸出的FEP薄膜作為母模，經(jīng)PDMS軟光刻法制備帶有圓弧形截面凸起的高溫樹(shù)脂陽(yáng)模，成功地在PMMA片上壓制出高寬深比的圓弧形截面液路通道。在此基礎(chǔ)上，另取一片F(xiàn)EP膜，用等離子體處理使FEP膜雙面均具有可粘性，先后用樹(shù)脂將FEP膜夾粘在PMMA液流基片和PMMA控制基片之間，制得整個(gè)芯片。表征了所

7、制備的微閥在開(kāi)/關(guān)狀態(tài)下的流速-液壓關(guān)系，并將三個(gè)微閥串聯(lián)形成一個(gè)氣動(dòng)蠕動(dòng)微泵，應(yīng)用于液流的驅(qū)動(dòng)，微泵的致動(dòng)頻率（每個(gè)閥每分鐘開(kāi)閉的次數(shù)）在1-20 Hz之間流量與頻率成線性關(guān)系。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:
　　1.研發(fā)了一種在PMMA芯片上制備常開(kāi)型氣動(dòng)微閥的新方法，即將控制通道和液路通道分別與一片PDMS彈性薄膜不可逆封合成控制半芯片和液路半芯片，兩半芯片再依靠PDMS間的自然粘合力，可逆封合成具有PMMA-PDMS…

8、PDMS-PMMA四層結(jié)構(gòu)的集成化氣動(dòng)微閥全芯片，解決了兩層剛性PMMA基片分別不可逆封合于一層PDMS薄膜兩面的技術(shù)難題，且兩個(gè)半芯片可以單獨(dú)更換，進(jìn)一步降低了使用成本。
　　2.發(fā)明了一種加工制備圓弧通道的新方法，即將FEP薄膜封合在通道基片上，利用氣壓使通道區(qū)域的FEP薄膜向上圓弧形凸起，以此為作為母模，成功制作出高寬深比的圓弧通道，從而在PMMA芯片上集成以FEP膜作為彈性膜的常開(kāi)型氣動(dòng)微閥。該制備方法解決了制作高寬深比通