聚二甲基硅氧烷微泵的制备及其应用

发布时间：2020-08-06 09:09

【摘要】：微流控芯片技术是一种可以把复杂的实验系统微缩集成到一块小芯片上,实现微观尺寸下控制,操作和检测复杂流体的技术,具有操作方便、节约环保、高效安全等特点。在微电子,微机械及生物工程与纳米技术领域里逐渐发展成为一门全新交叉学科。近年来微流控技术的快速发展,已经在化学、医药及生命科学等领域上产生了深远的影响,被列为21世纪最为重要的前沿技术之一。同时对制备微流控芯片的工艺材料提出了更高的要求,而聚二甲基硅氧烷(PDMS)因具有无毒、光透性好、价格低廉、易与其他材料封合、低固化温度等诸多优点,已成为目前应用最广泛的微流控芯片材料之一,其所制备的微流控芯片尺寸小、功能强、效率高、易于集成,因此在生物、化学、医学、免疫学等领域发挥着越来越重要的作用。在微流控体系中,对于流体的控制,主要是通过微流泵来实现,然而现阶段的这种流体控制装置大多需要外置电源,并且体积较大不方便移动。这些装置通常还存在性能不强、持续时间不久、设计制造复杂等缺点,开发便携式、无需外加能源的微泵进行流体运输与控制的研究引起了研究者们的广泛关注。本毕业设计主要利用PDMS制备的微泵进行真空驱动液体,和亲水性的PDMS海绵泵的“不间断”泵送液体。具体内容主要包括以下两个方面:第一,我们利用真空处理过的PDMS海绵微泵与PDMS芯片微泵进行液体与液态金属的泵送以及性能的探究。其中PDMS海绵微泵是以方糖模板法制备。首先,将方糖浸泡在预固化的PDMS前驱体和交联剂质量比为10:1的混合液体中并使其填满方糖孔隙,然后将PDMS固化;用热水浴溶解方糖然后烘干所得到的PDMS海绵半成品;最后再以PDMS封装固化。利用体积法计算出制备的海绵的孔隙率大约73%。PDMS海绵在使用前需真空脱气处理,其搭配芯片使用可以达到35 min稳定层流时间,整个泵送过程可以持续250 min;我们通过自制简单的流量计量仪实现流量的计算,其中最高流量可达12μL/min。PDMS海绵也可实现运输液态金属灌满微流管道芯片,制备简单的电路。同时真空脱气处理的微流控芯片可以实现自身的液态金属的泵送过程,实现复杂微流控芯片液态金属的图案化。该方法的主要优点是制备方法简单、不需要外加电源、泵型微小化。第二,我们进行了基于PDMS海绵泵的研发,提出一种亲水的海绵微泵。我们首先通过简单的糖模板法制造PDMS海绵,再以聚乙烯醇(PVA)进行亲水改性,得到长期高效亲水的海绵。这种海绵微泵搭载在微流控芯片上,可以长时间大量地驱动液体流动,甚至会由于蒸发作用而导致“不停止的流动”。其中稳定层流时间可达24 h;在不断更换亲水海绵进行泵送的情况下,能快速达到新的稳定层流,这样可以很好控制液体运输的停止与进行;由于其优越的性能,这种海绵微泵将在微流控领域,特别是细胞培养、微反应等领域发挥重要的作用。该方法制备的PVA-PDMS亲水海绵泵,在材料选用方面比较廉价易得,液体输运时间久,可长时间(~2个月)保持其高亲水性能。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O634.41
【图文】：

气体溶解性,微流体,真空,脱气

聚二甲基硅氧烷微泵的制备及其应用[atm]中的平衡气体浓度。N2和 O2吸附于 PDMS 中，在比较广符合亨利定律。气体溶解在 PDMS 中的平衡浓度与 PDMS 周围的气体分压成片放在一个真空干燥器（即，P0≈ 10 kPa = 0.1 atm）一段时间后据（1）式，脱气后的 PDMS 中的平衡空气浓度为 C0= SPDMSSTP）/ cm3，其中 SPDMS≈ 0.8 SN2 0.2 SO2= 0.11 cm3（），P0= 0.1 atm。当预抽真空的 PDMS 片返回到大气中（即，P），PDMS 的表面开始吸收空气（主要是 N2和 O2），以达到新 P1= 0.11 cm3（STP）/ cm3。因此，每 cm3的 PDMS 可以储存空气。脱气后的 PDMS 再存储空气就好比于干燥的海绵进行的1 所示[24]。

气体溶解性,气体渗透性,微型泵,真空环境

b) 利用PDMS的气体溶解性或c, d) PDMS的渗透性的不同类型的真空驱动无电源微泵法[13, 14, 26-28]。Fig.2 a, b) Different types of vacuum-driven power-free micropumping methodutilizing the gas solubility or c, d) permeability of PDMS[13, 14, 26-28].如图 2 所示，图 2 a) 是一种 2D 设计图案[13, 26]，利用气体溶解性的 PDM泵，将整个装置在真空环境中预先抽真空。图 2 b) 是一种利用气体溶解性DMS 微泵的 3D 设计[27]，PDMS 平板是在真空环境中预抽真空脱气处理过的 2 c) 利用气体渗透性的 PDMS 微型泵的 3D 设计[14]，使外部真空泵连接到器通道的端口。图 2 d) 利用 PDMS 的气体渗透性的微型泵的 2D 设计[28]，注射器可以产生真空环境。如第 2 节（方程（3））所讨论的，体积流体流量 QS的计算可以按0 1 0(t) ( )(t) exp( / ) (7)SA D C CQ FA k tl

毛细作用力,泵送,渗透性,气体

[29]。图3 利用气体PDMS的渗透性和玻璃的毛细作用力的复杂泵送方法[29]。Fig.3 A hybrid pumping method that utilizes the gas permeability of PDMSand the capillary effect of glass[29].图3是一种复杂的流体泵送方式，该设备主要有压力源端口、PDMS薄膜层、顶端玻璃层、玻璃管道层、底部玻璃层五部分组成。其中该设备的微流控芯片由玻璃制成，通过调节控制压力、PDMS 膜的表面积和厚度，流体流量可实现从16.67 nL s-1~ 233.34 nL s-1。这种方法的优点是可控性，通过 PDMS 膜的稳态扩散气体流量 F 可以调节泵送流率和各种参数，保持恒定的真空度水平可实现更长的泵送能力，以及泵送的双向性取决于压力差的极性（即相对负或正）。但是，这种方法的缺点是复杂且多层，如主流道，控制器管道层和薄膜层都是必需的，且控制器通道需要连接外在的真空源。类似于等式（7）计算体积流体流量 QS

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