面向生物分子痕量探测的微纳流控芯片的设计与制备

论文摘要

到目前为止,微流控芯片在各个国家都有了长足的发展,纳流控芯片（芯片通道至少一维是纳米尺度）也渐渐的引起人们的广泛关注和研究。由于当通道的特征尺寸由微米下降到纳米级时,通道的物理性质会发生显著的变化,这种变化在其后的芯片应用中起着非常重要的作用。因此,成功制备出微纳流控芯片便成为当今的一个重要研究课题。本文在总结了大量的微纳流控芯片设计结构后,同时调研了芯片的各种制备及加工方法后,设计并制备了生物分子痕量探测的微纳流控芯片,主要过程可以分为以下几个方面：（1）芯片的设计环节：本文中通过对现有的微纳流控离子运输理论进行分析,结合各科研机构已设计出的芯片模型,将微纳流控芯片设计为具有4个功能单元的生物分子痕量探测芯片。其中的4个功能单元分别为：注液单元,混合单元,离子分离单元以及废液回收单元。芯片通过4个功能单元的协同作用,完成生物分子的痕量探测功能。此外,根据本实验的特殊需求,本文同时设计出了微片与纳片两种结构,以完成芯片的顺利封合。（2）芯片的制备过程：在对现有的芯片加工工艺进行了调研与分析后,本文选用紫外线光刻技术以及湿法刻蚀工艺作为整个芯片加工环节的两个主要工艺。实验中,通过前者将上一步设计的芯片构型由掩膜转移到玻璃芯片上,其后,通过后者刻蚀出本文所需要的微流控通道。其中,实验通过控制芯片的刻蚀时间来完成对通道深度的控制。（3）芯片的封接工艺：完成了芯片通道的制备之后,实验需要把通道通过一定的工艺封合成一个密闭的空间。本文分别通过玻璃-玻璃封合工艺以及PDMS-玻璃封合工艺对制备后的芯片进行了封合。玻璃的热键合方法中,实验将纳片与微片通过马弗炉加温封合在一起；PDMS-玻璃的封合方法中,直接将PDMS与纳片通过等离子体清洗器进行封合。（4）芯片的显微注液结果：芯片封合完成后,实验分别对两种封合工艺后的芯片进行了注液测试,并对其注液结果进行了分析。最后,本文通过对整个实验过程及设计方法进行总结,为未来的芯片改进与设计提出了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 纳流控芯片简介
• 1.1.1 纳流控芯片的由来
• 1.1.2 纳流控芯片的研究意义和应用价值
• 1.2 纳流控芯片加工技术
• 1.2.1 芯片制备常用材料
• 1.2.2 芯片加工工艺
• 1.3 牺牲层技术
• 1.4 纳流控芯片的应用
• 1.4.1 纳流控芯片在药物分析领域的应用
• 1.4.2 生物蛋白质富集
• 1.5 本文研究的内容及意义
• 第2章 痕量分子探测芯片的设计
• 2.1 芯片功能的实现
• 2.2 芯片结构的设计
• 2.2.1 纳流控二极管工作过程
• 2.2.2 通道图形设计
• 2.2.3 通道尺寸的设计
• 2.3 小结
• 第3章 芯片的制备与表征
• 3.1 芯片制备前的准备工作
• 3.1.1 芯片基片材料的选择
• 3.1.2 纳流控芯片制备过程设计
• 3.1.3 紫外光刻及湿法刻蚀工艺
• 3.2 芯片制备实验过程
• 3.2.1 试剂材料、溶液配制以及仪器装置
• 3.2.2 纳米芯片的制作
• 3.3 芯片通道的测量与表征
• 3.3.1 纳米通道沟槽的表征
• 3.3.2 不同刻蚀时间纳片与微片的测量结果
• 3.4 小结
• 第4章 玻璃-玻璃封接工艺
• 4.1 玻璃与玻璃的封接工艺介绍
• 4.2 玻璃热键合封合
• 4.3 封接结果及分析
• 4.4 小结
• 第5章 PDMS-玻璃封接工艺
• 5.1 PDMS-玻璃封接工艺概述
• 5.2 PDMS-玻璃封接过程
• 5.3 PDMS封接结果及其分析
• 5.4 小结
• 第6章 芯片的显微注液结果
• 6.1 芯片注液结果及分析
• 6.1.1 玻璃-玻璃封合芯片的注液测试
• 6.1.2 PDMS-玻璃封合芯片的注液测试
• 6.2 微纳流控芯片的组装
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢