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柔性微通道的结构设计、表面修饰及其在体表环境检测中的应用

发布时间:2020-05-07 23:43
【摘要】:随着物质水平极大提高,人们也越来越关注个人健康,各类随身健康检测器件进入人们的生活。血压、肢体行为、温度等传感器件广泛用于老年人及婴幼儿的监护中,这些随身传感器具有体积小、高柔性、舒适性高等特点。微流控技术具有灵敏度好、效率高、试剂需求小、污染低等特点,在随身传感器件的应用方面有着独特的优势。微流体技术的核心部位是微通道,最初作为微流控器件的微通道仅仅是限制流体运动的狭小空间,主要用于分离装置及微反应器。微通道的选材多以硅片、玻璃片、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等刚性块体材料为主。受限于微通道功能及结构的单一、柔性较差等特点,目前微流控器件很难应用于柔性传感器中,国际上对柔性微通道的结构设计和功能化修饰的研究也比较少。结合微通道结构设计与微通道功能化修饰,制备高柔性、多功能、舒适性随身传感器具有重要意义。本课题从微流控器件的设计与微通道功能化修饰着手,采用光刻工艺、湿化学方法、高速编织技术、静电纺丝技术、微流控纺丝技术等制备了柔性微流控传感器件和中空传感纤维,测试了其柔韧性、力学性能、编织性能,同时对其pH、温度、肢体行为传感性能做了系统分析和研究。具体内容如下:1.使用浸渍涂布的方法制备聚乙烯醇缩丁醛(PVB)包覆的微型Ag/AgCl参比电极,使用湿化学法和电沉积方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯/氧化铟锡(PET/ITO)表面构筑一层ZnO/聚苯胺(PAni)微纳米结构阵列,分别以其为对电极和工作电极,在不同pH值溶液中测试ZnO/PAni工作电极的表面电位。测试结果表明Ag/AgCl微型参比电极具有较好的稳定性,30 min内电位波动仅为3 mV。ZnO/PAni工作电极具有较高的pH传感性能以及工作稳定性,灵敏度达120mV/pH。然后使用水分散性还原氧化石墨烯(rGO)交联聚(N-异丙基丙烯酰胺)PNIPAm制备得到PNIPAm/rGO温敏水凝胶,以其作为pH值校准的温度传感器。PNIPAm/rGO温敏水凝胶具有较高的温度传感灵敏度,其电阻变化量高达-3.3%/℃。最后,将ZnO/PAni电极、PVB包覆的Ag/AgCl微型参比电极、PNIPAm/rGO温敏水凝胶纤维集成在柔性聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)微流控器件中。2.使用湿化学的方法在柔性中空硅玻璃毛细管内壁构筑了双层超长草丛状ZnO微纳米结构,其垂直高度可达50μm。构筑的Zn微纳米结构具有较好的温度传感性能及稳定性。在温度不变时,ZnO的电阻在100 s内保持不变,从室温23℃至60℃测得温度传感灵敏度达-2.4%/℃。然后,对ZnO表面进行修饰,得到均匀分布的ZnO/Pt微纳米结构阵列,其在对邻硝基苯酚还原与亚甲基蓝降解的溶液反应中,表现出优异的催化性能,可用于催化式传感器。3.使用高速编织技术制备出高力学强度的棉线管道,以此为基底使用浸渍涂布法和湿化学法在棉线管道表面修饰一层单壁碳纳米管(SWCNTs)/ZnO微纳米结构。使用静电纺丝技术在SWCNTs/ZnO表面制备一层聚偏氟乙烯(PVDF)纤维膜,将之组装成可用于检测脉冲流体对管壁的压力、脉冲频率和流体温度的微流控器件。同时,这种微流控器件还可以用于检测按压、弯曲等肢体行为,根据电压的信号大小还能够分辨出弯曲的角度。4.通过对双乳液理论、液滴-喷射流转变规则的解析,使用聚四氟乙烯管(PTFE)搭建微流控纺丝装置,制备出中空聚乳酸(PLA)纤维。通过简单的组分调节,可以连续制备出功能化修饰的中空PLA纤维,包括具有信息编码功能的串珠状PLA纤维、核壳结构热致变色PLA纤维。这些温敏变色PLA纤维具有较好的编织性能及温度敏感性,并可以规模化生产,在智能变色传感纺织品方面有着明确的应用价值。
【图文】:

微流体,分离通道,电动力学,水平流


器件制备到应用涉及多个领域的方方面面。自 1990 年微流控芯片的概念后,微流控器件迎来了迅速的发展明了 PDMS 软刻蚀的方法,2001 年,RSC 创办了 Lauake 在Science 上发表了题为“微流控芯片大规模集成志把微流控技术誉为改变未来的七种技术之一。当前的公司也相继创立。微流控器件最初主要应用于生物 的制备、Polymerase Chain Reaction (PCR)反应、蛋白过程都是在液相环境中进行的。毛细管电泳系统是 20的第一个微观分析系统,以单芯片的方式问世[1]。许泳芯片进行化学分析,,其毛细管直径通常为 10 至 10技有限公司提供用于 DNA 和蛋白质分析的微流体芯细管电泳分离相结合,提供了液体推进力,样品在芯后通过毛细管电泳分离,并使用荧光检测进行分析(微流控技术有限公司能够大量生产各种用途的微流控制作已经产业化。

微流控,器件


l[9]反应,Reimer Tieman[10]等反应。在微通道中进行合成控制和优化反应条件,这些为合成一些贵重物品,或一些等提供了一个尽量减少损失的有利的反应条件。技术在生物化学领域的研究日趋成熟,核酸蛋白质和细胞生命体征检测领域尚处于早期阶段。近年智能可穿戴设 年谷歌眼镜问世,2013 年无线智能手环问世,2014 年 年 Ms Hololens 问世。此外,一些可穿戴设备也逐渐进入儿及老年人的监护。 这些可穿戴设备往往具有柔性、舒征信号等特点。微流控器件因其具有快速的传质传热、,易集成化等特点在人体体征信号检测方面具有潜在的征检测的微流控器件成了近些年的研究热点。器件的制备
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ427.26;TN492

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本文编号:2653741

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