基于微丝模塑的微流控装置构建及应用技术探索

摘要

微流控技术是基于微纳加工对微通道内流体运动进行操纵与控制并研究其中呈现的各种微运动行为的一门新型技术科学,它伴随着人类微型化的技术进程与对现实宏观装置或器件或系统的缩微热情以及对从微尺度到纳尺度上的科学现象的追究而迅速发展起来。本文围绕微丝模塑法构建微流控装置主题展开了技术工艺探索,并对以此为基础构建的一些相关微流动装置的可能应用技术方向作了研究与探讨。
　　 本研究分为5个部分。首先,探索微丝模塑工艺。对利用微丝模塑策略来构建微流动装置的三个关键环节,微丝排布形式的多样性、模塑形成的微通道或微电极结构与宏观外界的接口以及微丝易拆卸的固定方法,进行了技术探索,着重对其微通道图型化构建潜力作了多方面的挖掘。其中,构建出直圆型、圆拱形、类矩形、波纹状、交叉沟通、曲线形等类型的微通道及其阵列装置实例,提出了一种微丝排布间距调整技术方法。在此基础上并结合后续研究,形成微丝模塑途径制作微流动通道装置的可行工艺流程。这种微丝模塑工艺构建微流动通道芯片的基本途径可以归纳为,以微丝、PDMS(聚二甲基硅氧烷)以及PMMA(有机玻璃)中间件为基本材料构件要素,在设计加工有辅助排布微丝结构与接口的PMMA中间件上,利用PDMS的热固化以及对于微丝与/或粘稠液的可脱模特性,浇铸固化所布排好一定几何构形的微丝,然后通过微丝的除去(包括内部粘稠液洗脱)与留用,实现所需要的微流动原型芯片的构建。
　　 其次,围绕微丝模塑工艺构建的微流动通道装置的表征与进一步功能化,建立微流动控制的平台系统。搭建这种平台系统的基本思路是以现有宏观技术来控制、操纵或深化加工原型微流动通道装置。所建立的微流动控制的平台系统,是以中等级的Leica倒置显微镜系统为显微要件,组合了压力驱动回路、温度控制、微尺度粒子测速(Micro-PIV)、三电极电化学分析仪等操控与分析技术。后续实验运用表明,这样的平台可以对微丝模塑工艺构建出的一些微流动通道装置作出一定的表征与功能化修饰操作。
　　 第三与第四部分,在前述微流动装置加工及显微系统上,展开了对所构建的微流动通道装置的初步表征与微尺度上的功能化加工的初步探索。以实际构建出的几种简单PDMS微通道装置为对象,对其中呈现的一些基本微流动行为作出评估,包括PDMS直圆微通道中的光路特点、微丝交叉接触模塑形成的微通道装置中交叉通孔特点、PDMS直圆微通道中的简单流动特征及其测量应用、围绕微通道的微螺线管的电热行为,PDMS微通道的蒸发行为。其结果提示微丝模塑工艺构建的微通道装置呈现其一些固有特征,包括：(1)横置的PDMS直圆微通道中液体段与空气段呈现明暗差异大的光路特点；(2)两相同直径的微丝作十字垂直交叉接触模塑形成的微通道装置中可以获得交叉通孔,该交叉通孔一般呈圆形或椭圆形,其直径一般为所形成微丝的1/3～1/4；(3)20μm及以上的PDMS直圆微通道中的流动基本符合宏观的泊萧叶定律,而且其流动前沿特征可以被利用来测定纳升级及以下体积量的液体表面张力系数与液体粘度的估算；(4)构建出一种新颖的围绕微通道的微螺线管,发现其温升效应与电流的关系有一个阈值,阈值上下将均具有被深入利用的重要价值。(5)表征了PDMS微通道在一些日常操作与处理下的的液体蒸发行为,发现利用脂溶液涂覆于内壁可以有效降低微通道内部的蒸发以及一定程度的恒温效应。
　　 在对微丝模塑工艺构建的微通道装置的进一步功能化探索部分,以在微通道内电化学聚合导电聚合物聚吡咯薄膜以及DNA的固定为例子展开。通过十字交叉方式的微丝模塑工艺,直接一次成型地在微通道内构建出金属微点及其阵列。以此原型微通道装置,研究了单链DNA(ssDNA)掺杂下,在不锈钢微丝表面上电化学聚合形成聚吡咯的可行性；进一步探讨的重点放在如何在这样形成的微通道内壁的微点上来实施DNA探针的固定,并通过杂交电化学过程来检验固定过程的可靠性。发现在不锈钢微丝表面上所形成的PPy/ssDNA的厚度与体积变化率与单链DNA的长度相关,数据提示大致在20个碱基长的DNA单链的掺杂行为呈现阈值效应。进一步发现,可以在通道内微点上涂覆以PDMS来实现PPy/ssDNA的牢固固定化,且循环伏安这种电化学过程可以被全程地用来实现微通道内微点的PPy修饰、DNA固定以及DNA杂交信号的分辨。其结果不但提示了一种在微通道内DNA固定与杂交结果无标记检测方式的集成,也初步提示了一种微流控方式与微点阵列集成的雏形。此外,还发现DNA及其杂交液的混合溶液在微通道内的微点电极上呈现与常规宏观表面上不同的电吸附极性。
　　 最后一部分,进一步扩展探索所构建微流控装置的应用能力,主要聚焦于液滴的生成,并初步探讨应用这种皮升级液滴来分析DNA的微流变学。实验发现有沟通通孔的十字交叉通道结构,在给予简单的压差调控下,是一种可实现按需生成纳升级～皮升级液滴或液柱的可行微流控结构。对这种微液滴生成装置的操作及其一些影响因素,包括通道直径、通道内壁的亲疏处理、液滴尺度与通道入口压差、液滴在通道内被打碎行为等进行了初步定量讨论。进一步将这种皮升级液滴生成技术应用于部分短单链DNA微流变学基本参数测试分析,初步数据表明,这种技术对于分辨不同DNA序列的力学特性及序列差异有潜力。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

2 微丝模塑工艺

2.1 微丝模塑法构建微通道原型装置的基本过程

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验方法

2.2 微丝模塑法的构图潜力

2.2.1 通过改变微丝截面形状来构建不同几何形状的微通道

2.2.2 微丝交叉方式排布形成交叉型微通道

2.2.3 微丝弯曲方式排布形成曲线类微通道

2.2.4 通过控制微丝并置方式来扩展微通道图型

2.3 关于微丝的固定

2.4 接口与密封问题处理

2.5 微丝模塑途径的微通道装置构建工艺流程

2.6 讨论与展望

2.6.1 微通道加工技术进展

2.6.2 微丝模塑“朴素”想法的零星实践

2.6.3 微丝模塑工艺基本内涵

2.6.4 待续研究课题与展望

3 微流动实验控制平台搭建

3.1 压力控制单元

3.2 温度控制单元

3.3 Micro-PIV实验子系统的构成

4 微丝模塑的PDMS微通道装置的一些基本特征

4.1 圆形横截面通道内光路特点初步分析

4.2 微丝交叉接触模塑形成的微通道装置中交叉通孔特点

4.3 用Micro-PIV技术评估PDMS直圆微通道中的基本流动行为

4.4 利用微流动前沿进行表面张力系数与液体粘度测定

4.4.1 表面张力系数

4.4.2 液体粘度的估算

4.5 微螺线管围绕的微通道内的电热行为

4.5.1 静止条件下微通道内温度随微螺线管通电电流的变化

4.5.2 微流动条件下微通道内温度随微螺线管通电电流的变化

4.5.3 电流作用下微螺线管微丝表面上的温度变化

4.6 PDMS微通道的蒸发行为

4.6.1 常规处理下PDMS微通道中水液滴的蒸发行为

4.6.2 内壁脂溶液涂覆下PDMS微通道中水液滴的蒸发行为

4.7 讨论与展望

5 PDMS微通道内微点构建及功能化修饰

5.1 微丝模塑途径构建微通道内微点阵列的技术方法

5.2 微通道内不锈钢微点上的聚吡咯合成

5.2.1 微通道内微点阵列装置与电化学电极系统的联接

5.2.2 微通道内微点上聚吡咯的电淀积

5.3 DNA掺杂下不锈钢微丝表面上PPy薄膜的生长行为

5.3.1 在短单链DNA掺杂下PPy膜的厚度变化

5.3.2 在短单链DNA掺杂下PPy膜的体积变化率

5.3.3 在短单链DNA掺杂下PPy薄膜厚度与体积变化关系

5.3.4 讨论

5.4 微通道内不锈钢微点电极上DNA的电化学固定与监测

5.4.1 实验描述

5.4.2 讨论

5.5 微通道内微点上DNA的电吸附

5.5.1 实验描述

5.5.2 讨论

5.6 讨论与展望

6 微流控液滴生成及应用于DNA液滴的微流变学初步分析

6.1 十字交叉沟通微通道装置的几何特点

6.2 一种可按需生成纳升级~皮升级液滴/柱的微流控技术

6.2.1 讨论一、不同通道直径(或通孔直径)对截取液滴所需压力的影响

6.2.2 讨论二、液滴形成长度与入口压差的关系

6.2.3 讨论三、液滴打碎情形

6.2.4 讨论四、微通道内部流动涂覆磷脂对液滴生成截断压的降低作用

6.3 微通道内短单链DNA溶液液滴的微流变学初步分析

6.3.1 实验过程描述

6.3.2 粒子跟踪微流变学分析基础

6.3.3 DNA液滴实验结果初步分析

6.4 讨论与展望

6.4.1 液滴生成技术

6.4.2 DNA微流变学

7 结论

致谢

参考文献

附录

A.直圆管层流理论

B.Micro-PIV计算流场矢量的Matlab程序

C.计算MSD的Matlab脚本程序

D.计算剪切模量的Matlab脚本程序

E.作者在攻读学位期间发表的论著目录

F.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录