声表面波技术在微流控芯片中的集成及应用研究

【摘要】：随着微机电加工技术(Micro Electronic Mechanical System, MEMS)的快速发展,对于微全分析系统(micro total analysis systems)或被称为芯片实验室(lab on a chip systems, LOC)技术的研究已经持续进行了近二十年。这种新的技术手段,包含了物理、化学、生物、机械、微电子甚至临床医学等诸多方面的知识,致力于将传统的分析、控制单元微型化集成到硬币大小的芯片中进行应用,并最终实现能够进行独立分析、诊断的手提式器件。显然,随着分析器件尺寸的大大缩小,其带来的优势不仅能使对样品和试剂的用量降低到最小,同时还能更好的进行纳米材料处理、化学合成以及单细胞分析。 与许多手段相比,利用LOC技术对微尺度下的粒子、流体、液滴进行操纵具有其独到的优势,并且在生物学、纳米材料合成、癌症检测等许多方面有非常重要的应用。声学方法驱动微流体运动的机制常被认为是声-流体学的一个分支,由于它具有诸多方面的优点,如非侵入式、高强度、能够利用微加工手段制作以及能几乎作用于微尺度下的所有物体,人们对其在微流控芯片技术领域已经进行了不少的研究。然而相比其他手段,如此有效的微观驱动机制却没有得到人们足够的重视,例如电致驱动手段等。而事实上在微流控器件中,低雷诺数下的流体力学中最重要的问题是如何在低流速对流体下进行驱动以及在微通道中产生乱流以加速混合。因此我们相信,研究微尺度流体在声学影响下的行为是非常有意义的工作,这将为微流控芯片技术的发展起到积极的贡献。 因此,本论文的内容将按下面部分展开。 第一章,对整篇论文的研究领域和研究目标进行了概括性的展示。首先,回顾了微流控芯片技术的发展历史及现状,并且对将在本论文中涉及到的微流控技术中的基本概念进行介绍。然后,对声表面波(SAW)技术目前在微流控领域中的发展进行一个展示,在本章的最后对本论文的研究目标进行概括性的说明。 第二章,首先介绍了声波方而的相关知识以及不同类型SAW的区别。接着,就如何选择用于制作SAW器件的压电材料进行讨论,并且介绍压电材料基本的性能参数。然后介绍SAW器件中的核心单元,叉指换能器(interdigital transducers, IDTs)的一些基本知识。最后介绍SAW器件的制作工艺,包括IDTs基片的制作,微流控通道的制作以及整个器件的封装工艺。 第三章,利用COMSOL multiphysics软件对IDTs建模并且对平行SAW以及聚焦SAW在压电基片表面的传播过程进行仿真。先是比较两种IDTs模型激励产生的SAW的特点。其中,聚焦SAW显示出声波能量能够聚集在一个较小的区域内并且振幅强度显著增强。然后建立两个尺寸与实际器件相近的IDTs模型,用以描述SAW在实际器件中可能的传播情况。最后,对仿真结果进行讨论,并将其作为后面章节中实际器件制作以及实验结果分析的参考。 第四章,研究SAW驱动平板表面放置的液滴所产生的流体现象。先是,比较平行SAW和聚焦SAW对液滴在平板上接触角产生影响的区别。然后,演示声流在液滴中产生的混合效果。最后,展示液滴中的微粒子在声学力作用下的两种实验结果。 第五章,利用几个简单的实验来展示SAW技术在微流控芯片中对悬液中的粒子进行操纵的能力。首先,设计并制作集成有布拉格反射器的SAW器件,并用它进行在PDMS通道中对粒子聚集排列为线形的实验。然后,制作两种聚集型声表面驻波器件来研究在通道中对粒子进行捕获以及二维排列。最后,对高强度SAW对器件可能造成的损坏进行讨论。 第六章,我们开发的一种用于混合两种溶液的SAW混合器会在这一章进行展示。先是比较器件中三种不同的通道结构对混合效果的影响。然后,将分析芯片中F-IDTs的数目对实验结果的影响。接着研究施加的交流信号电压大小与混合效率的关系。最后,我们利用荧光染料演示了通道内毫秒级别的超快混合。在最后,我们展示了利用SAW混合器进行的酶促荧光实验。