基于PCB的微流控芯片的制备及其在液滴操控中的应用

摘要

微流控芯片作为生物化学的分析平台，近年来在细胞分析、DNA分析、药物研究等众多领域获得了极为广泛的应用，微流控芯片的制备是微流控芯片系统中一个非常重要的研究内容。传统的微流控芯片的制备一般是基于光刻方法进行的，对加工设备的要求很高，价格昂贵，并且芯片制备周期较长，其他的微流控芯片制备方法如激光刻蚀法、热压法等也存在工艺复杂、成本较高的问题，为了降低芯片的加工难度，一些研究者基于印刷电路板（Printed circuit board，PCB）来制备微流控芯片，不过依然存在键合成本较高、键合强度不牢的问题。对此，本课题成功摸索出了一套廉价、快速、便捷的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)微流控芯片的加工工艺，与光刻法相比，芯片制备成本降到了原来的1/10，芯片制备周期缩短为了4天。进一步地，基于采用PCB方法制备得到的PDMS微流控芯片，我们成功实现了对液滴的有效操控，这对于液滴微流控具有重要的意义。主要的研究内容和成果如下:
　　1、基于使用PCB作为模具制备PDMS微流控芯片的可行性，我们用Protel设计了微流控芯片的结构，然后将PCB文件交给厂家制备得到PCB。以PCB作为阳模，采用模塑法将PCB表面凸起的铜箔的形状转印到PDMS上，采用热压法将表面有微流道结构的PDMS与一片平整的PDMS键合，实现PDMS微流控芯片的制备。通过对芯片的显微结构的分析，我们发现制备得到的芯片的流道的深度为70urn，流道宽度的最小尺寸可以达到150um;从芯片的微流体实验的结果来看，芯片没有发生阻塞和漏液现象，证明了芯片的强度可以耐受流体的压力。
　　2、基于PCB的方法，我们制备了具有T型结构和流动聚焦结构的PDMS微流控芯片。然后，我们分别在两个芯片上进行了油相速度为50ul/h、80ul/h、100ul/h，水相速度分别从10ul/h到50ul/h下的液滴产生实验。我们统计了油相速度为50ul/h、水相速度为10ul/h下，两种结构生成液滴的大小和频率，发现两种结构生成的液滴大小是比较均一的、生成液滴的频率也是比较稳定的。进一步地，我们统计了不同油相速度和水相速度下，两种结构生成液滴的大小，发现生成液滴的大小与油相速度成反比，与水相速度成正比。
　　3、基于PCB的方法，我们制备了不同结构的PDMS微流控芯片，实现了对液滴的基本操控。具体包括:(1)、在微流道中分别引入了对称T型和不对称T型结构，实现了液滴的等分分裂和不等分分裂;(2)、在微流道中引入一个腔体实现了液滴的融合，并通过一个Y型结构改变了融合后液滴的表面活性剂的浓度，增加了融合后的液滴的表面张力和稳定性;(3)、在微流道中引入了一个蛇形弯曲结构来拉伸折叠液滴，从而实现了液滴内组分的有效混合;(4)、在微流道中引入了一个T型结构，在一个已有液滴中引入了新的组分，从而实现了液滴加样的功能;(5)、在微流道中引入了两个不同宽度的流道，制备了一个具有两个深度的PDMS微流控芯片，基于大小液滴的流阻的不同，实现了大小液滴的有效分选。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微流控芯片技术简介

1．1．1 微流控芯片的发展

1．1．2 微流控芯片的应用

1．1．3 液滴微流控技术简介

1．2 微流控芯片的制作材料及加工工艺

1．2．1 微流控芯片的制作材料

1．2．2 微流控芯片的加工工艺

1．3 基于PCB的微流控芯片的制备

1．4 论文研究内容及意义

1．5 论文组织结构

第二章 基于PCB的微流控芯片的制备

2．1 引言

2．1．1 PCB简介

2．1．2 PDMS简介

2．1．3 基于PCB的微流控芯片制备原理

2．2 基于PCB的微流控芯片制备

2．2．1 基于PCB的微流控芯片制备流程图

2．2．2 试剂与仪器

2．2．3 基于PCB的微流控芯片制备步骤

2．3 结果与讨论

2．3．1 芯片显微结构分析

2．3．2 微流体实验

2．3．3 芯片强度测试

2．3．4 本方案的特点

2．4 本章小结

第三章 微流控芯片上油包水液滴的制备

3．1 引言

3．2 液滴产生方式

3．3 实验部分

3．3．1 试剂与仪器

3．3．2 平台搭建

3．3．3 液滴微流控芯片的设计与制备

3．3．4 液滴产生实验

3．4 结果与讨论

3．4．1 液滴产生的动态过程分析

3．4．2 液滴产生大小的稳定性分析

3．4．3 液滴产生频率的稳定性分析

3．4．4 液滴大小与油相、水相速度的关系

3．5 本章小结

第四章 微流控芯片上液滴的基本操控

4．1 引言

4．2 试剂与仪器

4．3 液滴分裂

4．3．1 液滴分裂结构设计

4．3．2 液滴分裂实验过程

4．3．3 液滴分裂实验结果分析与讨论

4．4 液滴融合

4．4．1 液滴融合结构设计

4．4．2 液滴融合实验过程

4．4．3 液滴融合实验结果分析与讨论

4．5 液滴混合

4．5．1 液滴混合结构设计

4．5．2 液滴混合实验过程

4．5．3 液滴混合实验结果分析与讨论

4．6 液滴加样

4．6．1 液滴加样结构设计

4．6．2 液滴加样实验过程

4．6．3 液滴加样实验结果分析与讨论

4．7 液滴分选

4．7．1 液滴分选结构设计

4．7．2 液滴分选实验过程

4．7．3 液滴分选实验结果分析与讨论

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介