微流控分析系统中微流体驱动技术的研究

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尽管微流体驱动技术在过去的十余年得到了飞速发展,各种微泵种类繁多,但微流体驱动系统集成化和微流体驱动系统可靠性的提高仍然是微全分析系统的薄弱环节。本文在对现有微泵综述的基础上,对PDMS气动微泵、蒸发-吸湿微泵、毛细-蒸发作用力微泵和原位集成式毛细-蒸发作用力微泵进行了研究。 PDMS气动微型泵的研究包括制作工艺和结构参数的优化两方面。PDMS气动微泵的关键制作工艺是液体通道的弧形化和PDMS层之间、PDMS层与玻璃基片之间的封接。通过比较三种材料弧形化效果,选择AZ4620正性光刻胶作为液体通道阳模的制作材料,利用该材料在加热状态下的重流(reflow)特性,使液体通道阳模弧形化。通过比较三种封接工艺,选择等离子体氧化处理法封接技术为微泵制作的封接工艺,该工艺易操作,封接速度快,而且封接效果好。首次对影响微泵流速的因素—气体通道宽度、致动频率、致动气压、液体通道深/宽比、液体通道宽度等进行了系统研究,在优化参数气体通道宽度w1为1000μm,致动频率f为20-30Hz,致动气压为60KPa,液体通道深/宽比h/w2为0.1,液体通道宽度w2为150μm时,微泵可以获得的最大流速为0.55μL/min,较类似结构微泵的流速提高4倍,抗背压能力为110cm的水柱。 蒸发-吸湿微泵是利用吸湿剂吸收液体的水蒸气,实现稳定低流速的液体驱动。本文设计了结构包括液体储存和流动、吸湿剂储存和间隔室三部分的微泵,通过在吸水剂储存腔体上方设置螺纹口,实现了可重复使用的、基于吸水剂改变气体饱和蒸气压的蒸发-吸湿微泵功能。该微泵具有结构简单、造价低、易于制作和不需要外接能源的特点,但存在工作时间受吸水剂储存量限制的不足。 在蒸发-吸湿微泵的基础上,本文提出了一种新型的毛细-蒸发作用力微泵。它以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力,由储液管、储水池、吸水膜、排气孔和蒸发孔组成。对微泵性能进行了测试并考察了温度、湿度、蒸发面积、空气流动状况对微泵流速的影响,结果表明在同一工作日的一般温湿度波动范围内,微泵可在较长时间内提供稳定的μL/min级液体流速。通过改变蒸发孔的面积或使用风扇可调节微泵的流速。微泵的流速精度一般优于3%RSD(n=41)。该微泵应用到化学发光分析体系中,系统实现了较高的重现性,精度为1.4%RSD(n=11)。该微泵不仅结构简单、造价低、体积小、流速稳定,而且可长时间连续使用,流速易于调节。 在毛细-蒸发作用力微泵研究的基础上,本工作进一步将毛细-蒸发作用力微泵
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