基于特异构型微结构的即时检测芯片流动控制

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微流体控制是即时检测(POCT)芯片的操作核心,芯片内流动控制的精准性直接决定其最终检测的精度。本文基于特异构型微结构设计了波浪形微缓冲器和“锯齿”状微通道,分别实现了POCT芯片中流体进样流速、流型均一化控制,以及微通道内流动前沿弯液面形状、曲率的控制。主要完成了以下研究:(1)基于接触线运动理论,设计了基于特异性波浪构型的微缓冲器。在以毛细力为驱动力的即时检测微流控芯片中,手动注液的不稳定性引起进样流速不一,进而严重影响后续流体控制(如样品流动时间、混合效率),导致最终定量检测精确度低、重现性差。因此设计了波浪形微缓冲器,使通道截面积突然减小,增加样品流出微缓冲器时的出口背压,从而减缓样品流动冲击,起到缓冲作用;共设计了16种不同构型的波浪形微缓冲器,每种构型有3组关键结构参数:波峰高度h,波形个数n、波形深度H。以曝光、干法刻蚀等MEMS加工工艺制作硅模具,并以模板浇筑法和热压法分别制作出PDMS和PMMA微缓冲器实验芯片,对比发现PDMS芯片的结构精度及封合质量均优于PMMA芯片;通过控制h、n、Ⅳ三种关键实验变量,开展了一系列流体进样实验,总结发现通过设计一种简单的波浪形微缓冲器能有效消除微流控POCT芯片的进样冲击;流入缓冲器的样品由纵向流动转变为横向流动,消除了样品注入时的流动紊乱,使液面稳定、流速均一;且当波峰高度h越小、波形个数n越少时,缓冲时间T越长;波形深度H对缓冲效果影响不明显。当波峰高度减少到0.91mrn,波峰高度减小到190¨m时,缓冲时间达到5s-7s;当波形数量减少到5个,缓冲时间增加到8s-10s。(2)基于微尺度流体控制理论,设计了边缘“锯齿状”的微通道,有效消除微通道内流体流动边缘效应。样品在亲水通道内流动时,接触线包裹的弯液面呈凹状,很容易将气泡引入通道,导致通道堵塞或样品混合不均,影响最终定量分析精度。因此设计了边缘“锯齿状”微通道,延长样品在通道边缘的流动路径,同时规律性扩张一收缩的“锯齿”通道可有效控制液面形状和曲率k。共设计了3种三角形、4种半圆及1种梯形构型的“锯齿”。定义路径比r、波长w、扩张角α及相位p用于描述通道边缘结构。以软光刻工艺制作出实验用PDMS芯片。开展流体实验,研究发现作为对照组的直通道内弯液面呈凹状,而其他“锯齿状”通道的流动前沿弯液面为凸状;由于“锯齿的存在,通道内的流动前沿弯液面的形状周期性变化;r、w及a显著影响流动弯液面曲率,相位p影响液面分布的对称性。
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