用于微流體芯片的PDMS被動式微混合器研究.pdf

1、微流體混合器是用于微量試劑快速混合的微流體器件，根據(jù)有無外界能量驅(qū)動可分為主動式微混合器和被動式微混合器。本文發(fā)展了一種基于PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）和玻璃材料的被動式微混合器。利用先進(jìn)MEMS微細(xì)加工技術(shù)制作了樣片，用數(shù)值模擬方法對影響微通道內(nèi)流體混合的參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)。最后搭建實(shí)驗平臺進(jìn)行了微流體混合實(shí)驗，運(yùn)用灰度值圖像處理手段分析了實(shí)驗圖片并與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者結(jié)

2、果基本一致。 本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 第一，發(fā)展了一種基于PDMS和玻璃材料微加工工藝。本文采用的PDMS相對與國外普遍使用的硅材料，具有工藝簡便、成本低、透光性好和生物兼容性優(yōu)良的優(yōu)勢。整個工藝流程包括SU-8膠微模具快速原樣制作、復(fù)制壓模技術(shù)和表面改性鍵合等步驟。研究了各個工藝參數(shù)對流程的影響。對于本實(shí)驗中200μm厚SU-8膠，采用365nm紫外光曝光時間約為180s, 顯影時間為15min左右；PDMS樹

3、脂與固化劑最佳質(zhì)量配比為10:1，在65℃條件下固化時間為1h；比較了氧等離子體和紫外光照射兩種PDMS與玻璃的鍵合方式：氧等離子體表面處理時間為60s，可在100℃～120℃溫度下不加壓4h內(nèi)實(shí)現(xiàn)與玻璃片之間鍵合。紫外光表面照射最佳時間為3h，在70℃左右12h完成與玻璃鍵合，根據(jù)實(shí)際情況采用了紫外光表面照射處理的鍵合方式。 第二，在介紹微通道內(nèi)流體運(yùn)動混合一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了評價混合效果指標(biāo)。然后，利用數(shù)值分析軟件Flu

4、ent對混合通道寬為400μm的三種典型結(jié)構(gòu)（T形、方波形、Z形）進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬的結(jié)果顯示，雷諾數(shù)對T形混合通道的液體擴(kuò)散具有決定性的影響，雷諾數(shù)越小則擴(kuò)散越為充分。Re≤0.02時基本完全混合，Re≥0.2時混合效果明顯變壞，介于兩者之間為過渡區(qū)域。模擬發(fā)現(xiàn)，設(shè)置導(dǎo)流塊可以通過加強(qiáng)對流的形式提高混合效率，但是只適合于高雷諾數(shù)的情況。與T形通道相比，方波形或Z形通道等彎曲通道混合器通過產(chǎn)生二次流加強(qiáng)對流，提高混合效率，而且通過優(yōu)化

5、幾何參數(shù)可以進(jìn)一步提高混合效率。本文條件得出的參數(shù)值分別為：方波型通道寬通道與窄通道之比w1:w2=4，Z形通道周期長度與通道寬度比s:w=4。且在同等條件下，方波形混合器效率更高。 第三，搭建實(shí)驗平臺進(jìn)行了兩種流體混合的實(shí)驗，采集了顯微鏡照片。運(yùn)用灰度值數(shù)字圖像處理方法計算了各坐標(biāo)值處混合區(qū)域的混合指標(biāo)，然后與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。對于T形混合器，雷諾數(shù)在0.2以上時基本沒有混合效果；對于Z形混合器，雷諾數(shù)為0.2時擴(kuò)散混合顯著，