基于光学检测的电泳微芯片关键技术研究

论文摘要

电泳微芯片技术作为微流控芯片中重要的组成部分之一,在近二十年来的发展过程中,经历了材料选取、工艺实现、功能完善以及分析仪器系统的集成化、微型化和便携化等几个发展阶段。本文基于毛细管电渗流基本理论,以光学探测方法,针对电泳微芯片现有技术中存在的芯片制作工艺复杂、注液清洗过程繁复以及光学测试方法中微米量级光程影响检测灵敏度等问题进行研究。电渗性能作为衡量电泳微芯片性能的指标之一,其大小直接影响分离情况和分析结果的精密度和准确度。以电场中稀溶液流动的Navier-Stokes方程为基础,借鉴低雷诺数流理论忽略斯托克斯方程中的惯性力项,建立电渗驱动方程模型。利用有限差分法和多步打靶法分别求解PMMA基材电泳微沟道内电渗流形、电场和微流体流速的关系。计算结果表明PMMA基电泳芯片电渗流形为扁平塞状流,流体流速与电场强度保持线性关系,μeo=2.3×10-4cm2/Vs。设计电流监测法电渗流测速实验,以硼砂为缓冲溶液,PMMA基电泳微芯片测试的电渗迁移率为μeo=3.02×10-4cm2/Vs。利用XPS谱进行加工表面成分和价态分析,表明铣削方式加工制作的PMMA电泳微芯片微沟道表面存在不饱和价键结构,导致定域电荷面密度较大,而造成电渗强度较大。以毛细管电渗理论为基础,进行电泳微芯片设计、制作以及实验过程研究。以CFDRC软件进行微沟道构型、几何尺寸以及电场施加策略等优化设计,将微沟道设计为宽度大于50μm,可施加场强200V/cm250V/cm。针对PDMS和PMMA材料分别进行芯片加工实现,提出二次模板法加工PDMS微器件以及氨水浸泡法实现PDMS芯片不可逆键合法,解决了PDMS芯片加工过程中的脱模问题和键合问题;采用超精密数控铣削加工模式进行PMMA电泳微芯片加工,实现加工即成形目的。设计加工PMMA基压电驱动平面无阀微泵,最大流量可达350μl/min,在1min内完成沟道清洗次数最高可达487次,可完成电泳微芯片微沟道内溶液的灌注、清洗以及进样功能。PMMA微泵设计工艺与制作电泳微芯片工艺兼容,一体化的设计加工模式提高了芯片的可使用性。搭建了以TW30SX光敏二极管为光电转换器件的紫外-可见吸收检测系统,可检测10-11A数量级的光电流;总延迟时间在150250ms之间;输出噪声±5mV。总重量2kg左右,体积为280×200×150mm3。以该系统测试单层PMMA芯片对紫外光源的吸收率为0.035,键合后芯片对光强的衰减为16.87%。同时针对无机阴离子（Cl-和SO42-）的电泳实验,以间接紫外吸收检测方式,设计背景缓冲溶液为10mmol/L Na2CrO4+0.5mmol/LCTAB的混合液,其电渗性能测试结果表明在此浓度溶液组合下,电渗流方向成功实现反转,反向电渗迁移率为μeo=9.15×10-4cm2/Vs,可满足无机阴离子毛细管电泳实验测试需求。最后利用电迁移进样方式在单一微沟道布局芯片上,实现无机阴离子Cl-和SO42-电泳间接紫外吸收检测,单峰重复性实验结果效果良好,双峰可初步实现基线分离,检测限可达10-9mol。PMMA电泳微芯片以及光检测系统性能稳定,为PMMA基材电泳微芯片在紫外吸收检测方面的进一步应用奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外电泳微芯片领域研究现状及分析
• 1.2.1 电泳微芯片发展状况
• 1.2.2 电泳理论研究
• 1.2.3 电泳微芯片材料以及制备方法研究
• 1.2.4 电泳微芯片结构研究
• 1.2.5 电泳微芯片检测方式
• 1.2.6 电泳微芯片技术的应用
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 论文的主要工作内容
• 第2章 电泳微芯片电渗性能研究
• 2.1 微流体理论
• 2.1.1 电泳基本原理
• 2.1.2 毛细管电泳基本原理
• 2.2 电渗形成机理
• 2.2.1 双电层的形成机制
• 2.2.2 电渗流产生原理
• 2.2.3 电渗流的作用
• 2.2.4 电渗流影响因素
• 2.3 基于低雷诺数流理论电泳芯片微管道的电渗流数学模型
• 2.3.1 模型建立基本假设
• 2.3.2 低雷诺数流理论电渗流模型
• 2.3.3 简化的电渗流一维模型
• 2.4 电渗流速度测试实验
• 2.4.1 电渗流测速方法
• 2.4.2 电渗测速实验
• 2.5 PMMA芯片电渗性能测试结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 电泳微芯片结构模拟设计
• 3.1 电泳微芯片模拟设计
• 3.1.1 CFDRC模型建立基础
• 3.1.2 十字交叉进样口流体流动状态
• 3.1.3 电泳芯片切换时间模拟优化
• 3.1.4 沟道宽度模拟优化设计
• 3.1.5 逶迤形电泳微沟道的弯道效应
• 3.2 螺旋线形沟道电泳微芯片模拟设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 电泳微芯片制造工艺技术研究
• 4.1 PDMS芯片制作技术
• 4.1.1 PDMS材料性质
• 4.1.2 材料型号选取
• 4.1.3 PDMS预聚体与固化剂的配比
• 4.1.4 基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法
• 4.1.5 氨水浸泡法实现芯片键合
• 4.2 PMMA基体加工工艺
• 4.2.1 精密铣削加工PMMA电泳微芯片
• 4.2.2 PMMA材质芯片膜压键合封接工艺
• 4.2.3 适用于光学检测的PMMA芯片结构设计
• 4.3 集成微泵式PMMA电泳微芯片
• 4.3.1 压电驱动PMMA基无阀微泵设计制作及性能测试
• 4.3.2 PMMA基带有无阀微泵的电泳微芯片设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 电泳微芯片光学检测系统设计
• 5.1 紫外-可见吸收检测系统模型
• 5.1.1 UV-Vis光学系统模型基本假设
• 5.1.2 UV-Vis光学系统模型
• 5.2 紫外-可见光检测系统搭建
• 5.2.1 光源选用
• 5.2.2 光接收检测器件
• 5.2.3 光探测电路设计
• 5.2.4 数据采集和处理系统
• 5.3 系统总装以及性能测试
• 5.4 PMMA芯片透光性测试及结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 电泳微芯片系统检测实验研究
• 6.1 紫外-可见光吸收检测的基本原理
• 6.1.1 紫外-可见吸收检测分类
• 6.1.2 间接紫外吸收检测法测试原理
• 6.2 实验所用缓冲溶液体系以及仪器设备
• 6.2.1 背景缓冲溶液的选择
• 6.2.2 仪器
• 6.2.3 实验用缓冲溶液体系电渗性能测试
• 6.3 样品引入方式
• 6.3.1 十字交叉结构电泳微芯片进样方式
• 6.3.2 单一沟道电迁移进样
• 6.4 电泳微芯片紫外吸收检测实验
• 6.4.1 Cl-电泳紫外吸收检测
• 6.4.2 单离子电泳峰重复性实验
• 4^2-电泳紫外吸收检测'>6.4.3 SO₄^2-电泳紫外吸收检测
• -、SO₄^2-电泳分离紫外吸收检测'>6.4.4 混合Cl^-、SO₄^2-电泳分离紫外吸收检测
• 6.5 电泳微芯片电泳实验结果分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历