基于图案化微结构及表面的微纳流体控制

发布时间：2020-11-19 03:23

　　 近年来,微流控芯片技术由于其样品用量少、分析时间短、灵敏度高、廉价、轻便等优点,在化学、生物化学、医疗诊断等方面得到广泛的应用。在微流控芯片中,流体的流动行为操控对快速精确的分析检测发挥着极其重要的作用。微流体的控制一般利用微阀门器件来实现。迄今为止,研究人员设计制备了许多类型的微阀:主动阀门通过气压、机械压、光、电、磁、热等外部动力改变孔道形状和状态,实现阀的开启和关闭操作;被动微阀不需外力驱动,而仅仅需要孔道本身的结构或修饰来实现微阀的开启和关闭,包括逆止微阀和毛细微阀。其中,毛细微阀一般通过几何形貌的突变和表面浸润性的变化实现。除了以上两种典型的毛细微阀,近年来研究人员也报道了基于各向异性浸润性表面的微阀制备及微孔道中的流体控制方法,包括不对称亲疏水修饰的椭圆硅柱阵列及倾斜的纳米线等等。但是这些各向异性浸润性表面的制备过程比较复杂,这可能制约它们在微流控芯片中的实际应用。纳流控芯片是微流控芯片与纳米技术结合起来的新兴研究方向。纳流控芯片的飞速发展得益于前期一系列微纳加工技术的铺垫。传统纳米通道制备方法包括光刻、直写技术(电子束刻蚀和聚焦离子束铣削)、干涉光刻和纳米压印等。利用传统方法可以制备高精度、可重复性好的纳米通道,但制备过程相对复杂,制备时间长,成本高。最近,研究人员开发一些非传统的纳米通道制备技术,用以弥补或取代传统制备技术。非传统方法包括基于纳米线的牺牲层技术和基于弹性材料机械形变行为(褶皱、裂纹及结构坍塌)的技术等。非传统方法具有制备简单,成本低,耗时短等优点,但它们在精度和可重复性方面存在一定的缺陷。本论文利用图案化微结构制备各向异性浸润性表面,研究了它们对微流体的控制,并利用纳米结构的纳米缝隙制备了具有超高表面体积比的纳米通道,主要分为以下三个部分。在第二章中,我们制备了亲水-疏水修饰的化学图案化条带微结构,并将其引入到微孔道中,实现了微孔道中流体的各向异性流动。水在微孔道中的各向异性流动行为是由修饰表面的两种材料之间的表面能的差异引起的。我们通过研究在不同驱动压力下的流体流动行为发现,随着驱动压力的增加各向异性流动性减弱。对于一种参数的化学图案化条带结构,存在一个阈值压力值,其可以衡量该结构对微孔道中流体流动行为的调控能力。我们研究了图案周期、亲水区域和疏水区域宽度比例、修饰材料表面能差异及微孔道尺寸等因素对化学图案化表面的流体调控能力的影响。基于流体的各向异性流动行为,化学图案化表面可以作为微流控阀门器件,通过对流体驱动压力的调控实现微阀的开启和关闭。最后,我们通过巧妙地结合上述几种影响因素,实现了微孔道中流体沿着“虚拟”界面的流动,这种―虚拟‖的界面为微流控芯片提供了一种气-液界面。因此,化学图案化表面为微流控芯片中流体的调控提供了另一种可行的方法,这对微流控芯片技术的发展具有重要的意义。在第三章中,我们把具有各向异性浸润性质的形貌硅条带结构引入到微流控芯片中,简单有效地实现了微孔道中的流体流动方向的控制。水在微孔道中呈现稳定的单向流动行为,这要归因于水在平行和垂直于条带方向上流动时所需克服的能垒的差异,在平行的孔道中,流体需要克服的能垒比垂直方向上的小。两种因素引起了在垂直的方向上的能垒,分别为基底形貌高度引起Laplace压力的变化和吉布斯不等式条件引起的Laplace压力。我们通过研究在不同驱动压力下的流体流动行为发现,当驱动压力大于某个临界值时,流体在微孔道中不再呈现单向流动。我们定义此临界值为阈值压力,用其衡量形貌图案化表面对微孔道中流体流动行为的调控能力。接下来,我们研究了结构的周期、高度、粗糙度、表面修饰材料及微孔道尺寸等因素对形貌硅条带的微流体控制能力的影响。基于流体的单向流动行为,形貌图案化表面可以作为微流控阀门器件,通过对流体驱动压力的调控实现微阀的开启和关闭。最后,基于水在孔道中的单向流动行为,我们用形貌图案化表面实现了微孔道中的气-液分离,为微流控芯片中的非连续两相的分离提供了另一种有效的方法。在第四章中,我们提出了基于纳米柱之间纳米间隙构筑纳米通道的新策略。我们结合传统光刻技术与胶体晶体刻蚀方法,在硅基底的选定区域制备了高度有序的纳米柱阵列,并利用纳米结构之间的纳米缝隙作为纳米通道连接微孔道,制备了微-纳流控芯片。与传统的单纳米通道相比,我们制备的纳米通道是大量,相互连接的纳米间隙网络。通过调控刻蚀条件,可以准确地控制两个相邻纳米柱之间的缝隙大小,进一步决定纳米通道的尺寸。此外,我们也制备了高深宽比和高密度的纳米缝隙,实现了纳米通道尺寸的高度可控及灵活可调。这种纳米通道制备方法适用于多种材质芯片的制备,包括PDMS-Si,PDMS-玻璃及Si-玻璃材质芯片等。通过测试纳米孔道中不同浓度电解质的电导发现,基于纳米缝隙的纳米通道具有典型的表面电荷控制离子输运性质。由于纳米通道的离子选择性通过性质,微纳米芯片可用于富集低浓度样品。此外,该制备方法与光刻技术和微孔道制备技术兼容,容易实现大面积、不同图案和复杂的芯片设计,有利于芯片的集成。我们制备的纳米通道具有高通量和超高表面体积比的特点,可应用于制备纳流控能量转化器件及分子分离等方面。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

图.勺曰白.
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本文编号：2889621