基于石蜡微打印技术的纸质微流控芯片制作系统及实验研究

摘要

石蜡微打印技术在生物、化学与医学等领域具有非常广泛的应用，同时随着科学技术的发展，石蜡微打印技术的应用推广到越来越多的领域。石蜡微打印技术是一种利用外力迫使石蜡液体以液滴的形式从微喷嘴中喷出，并在底板固化成型的液滴喷射技术，使用石蜡微打印技术制作纸质微流控芯片可以有效降低制作时间，减少制作程序，降低实验成本。 通过对国内外纸质微流控芯片制作技术的总结分析，本文提出了一种利用压电作动器提供驱动力的石蜡微打印方法，设计了石蜡微打印喷头装置，制备了喷头的核心部件玻璃微喷嘴，研究了玻璃微喷嘴制作过程:拉制、截断、锻制中各参数对玻璃微喷嘴的成型影响。设计并制作了纸质微流控芯片制作系统，基于DDS原理，以STM32F103RBT6为主控芯片设计了压电作动器驱动控制系统，完成硬件电路设计，上位机和下位机程序设计，实现驱动波形的输出。 研究了驱动控制系统参数:驱动波形类型、驱动波形频率、驱动波形占空比、电压等对石蜡微打印效果的影响，确定了系统最佳打印效果的参数范围，并进行了应用实验。以中速滤纸作基板，制作了“十字”型多通道微流控芯片，加热滤纸使石蜡熔化，实现疏水流道在滤纸上的联通，制得的纸质“十字”型多通道微流道宽度为250μm。将去离子水滴在流道内，去离子水沿微流道流动，无泄漏。证明制备的纸质微流控芯片符合实验要求，制备成功。制作了PH值分析纸质微流控芯片，在滤纸上打印一个3×3阵列点，每个阵列点对应于一个环形微流道，将加入了甘油溶液的磷酸氢二钠与磷酸二氢钾以不同比例混合配置甘油-磷酸盐缓冲液，将缓冲液滴入芯片，得到的不同颜色的PH梯度阵列。区域内反应充分，颜色均匀，梯度明显。

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摘要

图表目录

1绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2纸质微流控芯片制作技术研究进展

1．3选题的意义和研究内容

1．3．1论文选题意义及来源

1．3．2论文结构与研究内容

2基于石蜡微打印技术的纸质微流控芯片制备系统设计

2．1系统需求分析与整体设计方案

2．1．1系统需求与设计思路

2．1．2系统整体设计方案

2．2石蜡微打印装置的设计

2．2．1石蜡微打印头

2．2．2压电作动器

2．2．3位置调节器

2．3作动器驱动控制系统设计

2．4芯片制作工作台

2．5本章小结

3石蜡微打印玻璃微喷嘴制作

3．1玻璃微喷嘴制备原理

3．2玻璃微喷嘴拉制实验

3．2．1实验仪器与方法

3．2．2实验结果与讨论

3．3玻璃微喷嘴锻制

3．3．1实验仪器与方法

3．3．2实验结果与讨论

3．4石蜡微打印用玻璃微喷嘴装配

3．5本章小结

4压电作动器驱动控制系统设计

4．1压电作动器驱动控制系统需求分析与设计方案

4．2压电作动器驱动控制系统上位机控制系统设计

4．2．1上位机软件功能

4．2．2上位机软件设计

4．3下位机控制系统硬件电路设计

4．4下位机控制系统软件设计

4．5压电作动器驱动控制系统验证

4．6本章小结

5基于石蜡微打印纸质微流控芯片制作与实验研究

5．1实验方法与材料

5．2石蜡微打印实验结果与分析

5．2．1驱动控制系统参量对卫星液滴现象的影响

5．2．2驱动控制系统参量对石蜡液滴尺寸的影响

5．2．3系统参量对石蜡成线重叠率的影响

5．3基于石蜡微打印技术的纸质微流控芯片的制作实验

5．3．1系统参量对纸基上疏水石蜡线条成型的影响

5．3．2纸质微流控芯片制作测试

5．3．3纸质微流控芯片PH值分析应用

5．4本章小结

6总结与展望

6．1工作总结

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录