基于PCB的微流控芯片的制备及其在液滴操控中的应用

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微流控芯片作为生物化学的分析平台,近年来在细胞分析、DNA分析、药物研究等众多领域获得了极为广泛的应用,微流控芯片的制备是微流控芯片系统中一个非常重要的研究内容。传统的微流控芯片的制备一般是基于光刻方法进行的,对加工设备的要求很高,价格昂贵,并且芯片制备周期较长,其他的微流控芯片制备方法如激光刻蚀法、热压法等也存在工艺复杂、成本较高的问题,为了降低芯片的加工难度,一些研究者基于印刷电路板(Printed circuit board, PCB)来制备微流控芯片,不过依然存在键合成本较高、键合强度不牢的问题。对此,本课题成功摸索出了一套廉价、快速、便捷的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)微流控芯片的加工工艺,与光刻法相比,芯片制备成本降到了原来的1/10,芯片制备周期缩短为了4天。进一步地,基于采用PCB方法制备得到的PDMS微流控芯片,我们成功实现了对液滴的有效操控,这对于液滴微流控具有重要的意义。主要的研究内容和成果如下:1、基于使用PCB作为模具制备PDMS微流控芯片的可行性,我们用Protel设计了微流控芯片的结构,然后将PCB文件交给厂家制备得到PCB。以PCB作为阳模,采用模塑法将PCB表面凸起的铜箔的形状转印到PDMS上,采用热压法将表面有微流道结构的PDMS与一片平整的PDMS键合,实现PDMS微流控芯片的制备。通过对芯片的显微结构的分析,我们发现制备得到的芯片的流道的深度为70um,流道宽度的最小尺寸可以达到150um;从芯片的微流体实验的结果来看,芯片没有发生阻塞和漏液现象,证明了芯片的强度可以耐受流体的压力。2、基于PCB的方法,我们制备了具有T型结构和流动聚焦结构的PDMS微流控芯片。然后,我们分别在两个芯片上进行了油相速度为50ul/h、80ul/h、100ul/h,水相速度分别从10ul/h到50ul/h下的液滴产生实验。我们统计了油相速度为50ul/h、水相速度为10ul/h下,两种结构生成液滴的大小和频率,发现两种结构生成的液滴大小是比较均一的、生成液滴的频率也是比较稳定的。进一步地,我们统计了不同油相速度和水相速度下,两种结构生成液滴的大小,发现生成液滴的大小与油相速度成反比,与水相速度成正比。3、基于PCB的方法,我们制备了不同结构的PDMS微流控芯片,实现了对液滴的基本操控。具体包括:(1)、在微流道中分别引入了对称T型和不对称T型结构,实现了液滴的等分分裂和不等分分裂;(2)、在微流道中引入一个腔体实现了液滴的融合,并通过一个Y型结构改变了融合后液滴的表面活性剂的浓度,增加了融合后的液滴的表面张力和稳定性;(3)、在微流道中引入了一个蛇形弯曲结构来拉伸折叠液滴,从而实现了液滴内组分的有效混合;(4)、在微流道中引入了一个T型结构,在一个已有液滴中引入了新的组分,从而实现了液滴加样的功能;(5)、在微流道中引入了两个不同宽度的流道,制备了一个具有两个深度的PDMS微流控芯片,基于大小液滴的流阻的不同,实现了大小液滴的有效分选。
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