微流控分析系统中微流体驱动技术的研究

论文摘要

尽管微流体驱动技术在过去的十余年得到了飞速发展，各种微泵种类繁多，但微流体驱动系统集成化和微流体驱动系统可靠性的提高仍然是微全分析系统的薄弱环节。本文在对现有微泵综述的基础上，对PDMS气动微泵、蒸发-吸湿微泵、毛细-蒸发作用力微泵和原位集成式毛细-蒸发作用力微泵进行了研究。 PDMS气动微型泵的研究包括制作工艺和结构参数的优化两方面。PDMS气动微泵的关键制作工艺是液体通道的弧形化和PDMS层之间、PDMS层与玻璃基片之间的封接。通过比较三种材料弧形化效果，选择AZ4620正性光刻胶作为液体通道阳模的制作材料，利用该材料在加热状态下的重流（reflow）特性，使液体通道阳模弧形化。通过比较三种封接工艺，选择等离子体氧化处理法封接技术为微泵制作的封接工艺，该工艺易操作，封接速度快，而且封接效果好。首次对影响微泵流速的因素—气体通道宽度、致动频率、致动气压、液体通道深／宽比、液体通道宽度等进行了系统研究，在优化参数气体通道宽度w1为1000μm，致动频率f为20-30Hz，致动气压为60KPa，液体通道深／宽比h／w2为0.1，液体通道宽度w2为150μm时，微泵可以获得的最大流速为0.55μL／min，较类似结构微泵的流速提高4倍，抗背压能力为110cm的水柱。 蒸发-吸湿微泵是利用吸湿剂吸收液体的水蒸气，实现稳定低流速的液体驱动。本文设计了结构包括液体储存和流动、吸湿剂储存和间隔室三部分的微泵，通过在吸水剂储存腔体上方设置螺纹口，实现了可重复使用的、基于吸水剂改变气体饱和蒸气压的蒸发-吸湿微泵功能。该微泵具有结构简单、造价低、易于制作和不需要外接能源的特点，但存在工作时间受吸水剂储存量限制的不足。 在蒸发-吸湿微泵的基础上，本文提出了一种新型的毛细-蒸发作用力微泵。它以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力，由储液管、储水池、吸水膜、排气孔和蒸发孔组成。对微泵性能进行了测试并考察了温度、湿度、蒸发面积、空气流动状况对微泵流速的影响，结果表明在同一工作日的一般温湿度波动范围内，微泵可在较长时间内提供稳定的μL／min级液体流速。通过改变蒸发孔的面积或使用风扇可调节微泵的流速。微泵的流速精度一般优于3％RSD（n=41）。该微泵应用到化学发光分析体系中，系统实现了较高的重现性，精度为1.4％RSD（n=11）。该微泵不仅结构简单、造价低、体积小、流速稳定，而且可长时间连续使用，流速易于调节。 在毛细-蒸发作用力微泵研究的基础上，本工作进一步将毛细-蒸发作用力微泵

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 引言
• 1.2 机械微泵的工作原理
• 1.3 机械微泵的种类与发展
• 1.3.1 压电微泵
• 1.3.2 热气动微泵
• 1.3.3 静电致动微泵
• 1.3.4 电磁微泵
• 1.3.5 SMA微泵
• 1.3.6 气动微泵
• 1.4 非机械微泵的种类与发展
• 1.4.1 电渗泵
• 1.4.2 电流体动力微泵
• 1.4.3 磁流体动力微泵
• 1.4.4 毛细-蒸发作用力微泵
• 1.4.5 重力泵
• 1.5 微泵的制作技术
• 1.6 本论文的工作目的及设计思想
• 第二章 聚二甲基硅氧烷气动微型蠕动泵的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 PDMS气动泵芯片的制作
• 2.2.3 PDMS气动泵的操作
• 2.2.4 PDMS气动泵性能的测试
• 2.2.5 微流控芯片的制作
• 2.2.6 微流动注射吸光光度分析系统及其操作
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 微泵的设计思路
• 2.3.2 关于PDMS气动微泵制作工艺的讨论
• 2.3.3 致动频率对液体流速的影响
• 2.3.4 气体通道宽度对流速的影响
• 2.3.5 背压对流速的影响
• 2之间的关系'>2.3.6 微泵流速与液体通道深宽比h/w₂之间的关系
• 2.3.7 微泵性能
• 2.3.8 微流动注射吸光光度系统的性能
• 2.3.9 PDMS气动微型泵的寿命
• 2.4 小结
• 第三章 蒸发-吸湿微泵的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与材料
• 3.2.2 微泵的制作
• 3.2.3 微泵性能的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 蒸发-吸湿微泵的设计
• 3.3.2 蒸发-吸湿微泵的性能
• 3.4 小结
• 第四章 毛细-蒸发作用力微泵的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与材料
• 4.2.2 仪器设备
• 4.2.3 微泵的制作
• 4.2.4 微流控化学发光芯片的制作
• 4.2.5 微流动注射化学发光系统及操作
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 毛细-蒸发作用力微泵的设计
• 4.3.2 毛细-蒸发作用力微泵的性能
• 4.3.3 微流控化学发光芯片的役计
• 4.3.4 关于微流控流动注射分析系统的设计
• 4.3.5 微流控流动注射分析系统的性能
• 4.4 小结
• 第五章 原位集成式毛细-蒸发作用力微泵的初步研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 微流控芯片的制作
• 5.2.3 原位集成式毛细-蒸发作用力微泵的制作
• 5.2.4 微流动注射吸光光度分析系统及其操作
• 5.2.5 原位集成式毛细-蒸发作用力微泵流速的测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 原位集成式毛细-蒸发作用力微泵的设计
• 5.3.2 微流动注射吸光光度分析系统的设计
• 5.3.3 原位集成式毛细-蒸发作用力微泵的性能
• 5.3.4 微流动注射吸光光度系统的性能
• 5.4 小结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 发表主要论文目录