纳流体芯片中聚丙烯酰胺纳孔的电化学表征

摘要

微制造的发展为纳流体研究提供了可控的纳米结构，从而为我们对纳米级过程的理解和探索其在化学分析等方面的应用提供一个崭新的机会。本文在纳流体芯片中研究聚合物纳米多孔结构(nanoporous structure，NPS)的电特性。基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)进行了阻抗检测实验，利用阻抗特征参数分析结构的特征参数。本文主要内容包括:
　　分析了NPS电化学检测的基本理论，建立了NPS检测的等效电路模型。解释了纳流体由于双电层(electric double layer，EDL)厚度与沟道高度比率降低导致的EDL扩散部分的重叠现象。根据电导公式估算了微沟道中的溶液电阻，对电荷转移电阻进行了归一化处理。
　　制作了集成不同交联比纳米多孔结构的纳流控芯片，分析了电解液浓度对阻抗幅值和相位的影响。结果表明低频区，阻抗响应的幅值与KCl浓度大小有关。然而，在高频阶段，幅值的斜率与KCl的浓度几乎没有关系，频率对阻抗响应的影响很小，浓度增大使体系的特征频率增大。
　　从反应动力学角度分析了电极过程步骤。利用阻抗的最大平均值，对不同KCl电解液下的阻抗数据进行标准化处理，发现标准化的阻抗虚部峰值出现于标准化频率约为1时，不同浓度下的阻抗曲线相互重叠。根据电荷转移电阻及时间常数值，研究了NPS电解液浓度与特征参数之间的关系，结果表明，在同一种浓度下，纳米多孔结构交联比差异虽然改变了纳米多孔结构的电阻、纳米多孔结构双电层的电容，但是并没有改变体系弛豫过程的快慢。为了进一步探讨NPS几何特征与阻抗的关系，本文结合前人的对比研究孔径与电荷转移电阻的变化趋势，发现当NPS孔径最小时，电荷转移电阻出现最大值;反之，当NPS孔径最大时，电荷转移电阻出现最小值，说明电荷转移电阻与NPS的特征尺寸有着相互对应关系。整个体系的电极过程是由电荷传递主导，而电荷传输仅受一个活化能控制。
　　本文为进一步研究使用电化学方法表征聚丙烯酰胺纳米多孔结构结构提供了探索性实验基础。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 纳流体技术的应用与发展

1．2 微纳流体在样品预浓缩上的应用

1．2．1 微纳流体混合结构在样品预浓缩上的应用

1．2．2 聚合物纳米多孔结构(NPS)在样品预浓缩上的应用

1．3 纳流体结构表征方法

1．3．1 扫描电子显微镜表征纳流体结构

1．3．2 流体特性间接表征纳流体结构

1．3．3 电化学阻抗谱表征纳流体结构

1．4 本文主要内容

2 聚丙烯酰胺NPS电化学检测方法

2．1 电化学阻抗谱检测

2．1．1 电化学阻抗谱

2．1．2 等效电路及阻抗的表示

2．2 纳流体双电层理论及等效模型

2．2．1 双电层理论

2．2．2 纳流体的电导率

2．3．2 聚合物NPS等效电路模型

2．3 本章小结

3 纳流体芯片制造

3．1 单一纳流体沟道检测芯片制造

3．1．1 Pt电极及纳米沟道制作

3．1．2 PDMS芯片基片制作

3．1．3 芯片键合

3．1．4 单一纳流体沟道电化学阻抗检测

3．2 聚丙烯酰胺NPS芯片制造

3．2．1 玻璃微纳流体基片的制作

3．2．2 NPS的集成

3．3 本章小结

4 阻抗检测实验结果与分析

4．1 阻抗实验检测方法及设备

4．2 阻抗检测实验数据预处理

4．2．1 Zsimpwin数据拟合

4．2．2 微沟道中离子的迂移电阻

4．2．3 纳米多孔结构长度的修正

4．3 电解液浓度对阻抗的影响

4．3．1 电解液浓度与幅频、相频的关系

4．3．2 电解液浓度与实部虚部的关系

4．4 NPS几何特征对阻抗的影响

4．4．1 NPS交联比与阻抗幅值的关系

4．4．2 NPS交联比与阻抗特征值的关系

4．4．3 NPS孔径与阻抗特征值的关系

4．5 FITC电动富集实验

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢