【摘要】：微流控芯片可以在平方厘米級(jí)別的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生化反應(yīng)、分離和檢測(cè)等操作，具有體積小、造價(jià)低、樣品消耗少、檢測(cè)快速、檢測(cè)分辨率高和靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，這使其在生化分析、衛(wèi)生檢疫、藥物合成篩選、環(huán)境檢測(cè)與保護(hù)、司法鑒定等眾多領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。許多的技術(shù)手段被綜合用于微流控平臺(tái)的設(shè)計(jì)，其中微電極技術(shù)以響應(yīng)時(shí)間短、安裝方便、易集成和兼容性好等優(yōu)勢(shì)成為了微流控領(lǐng)域常用的手段之一。

微電極對(duì)于微流控芯片具有重要的作用，它不但可以將外部電信號(hào)傳導(dǎo)入芯片內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)電泳、介電電泳、電穿孔和電融合等功能；還能作為傳感器，將芯片內(nèi)部環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳到芯片外，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)p H值、壓力、濃度、溫度、阻抗值等參數(shù)的檢測(cè)。按照厚度不同，常將微電極分為納米級(jí)別的二維(2D)電極和微米級(jí)別的三維(3D)電極，其中3D電極具有空間電場(chǎng)均勻性好，有效電極表面積大、能承受電流強(qiáng)度大、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。按照材質(zhì)不同，可將微電極分為ITO電極、金屬電極、碳系電極和復(fù)合電極等，其中復(fù)合電極具有對(duì)設(shè)備依賴性小、操作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。3D復(fù)合微電極結(jié)合了3D電極和復(fù)合電極的優(yōu)點(diǎn)，在微流控芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)有研究較多聚焦在如何將復(fù)合電極材料通過(guò)各種微加工工藝，制作成形狀和功能不同的3D復(fù)合微電極，但對(duì)3D復(fù)合微電極涉及的有關(guān)復(fù)合材料的導(dǎo)電理論、性質(zhì)、制備方式等尚缺乏系統(tǒng)性研究。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是微流控領(lǐng)域最常見的芯片制作材料，具有透光性好、復(fù)制精度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但PDMS的表面能低，與金屬結(jié)合能力差，在PDMS芯片上加工和集成3D微電極，面臨電極易脫落、加工難度大等挑戰(zhàn)。為了尋找可靠性高、操作簡(jiǎn)便的3D微電極加工材料和工藝，解決在PDMS微流控芯片中加工和集成3D微電極面臨的技術(shù)難題，本研究提出了一種電學(xué)性能優(yōu)良的導(dǎo)電顆粒-PDMS復(fù)合電極材料設(shè)計(jì)方案，建立了一套可靠性高、操作簡(jiǎn)便，可在PDMS微流控芯片上加工不同形狀和尺寸3D微電極的加工工藝，并開展了相關(guān)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。主要研究工作包含以下幾方面:

(1)開展了導(dǎo)電顆粒-PDMS復(fù)合電極材料的導(dǎo)電理論與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)模型研究。以復(fù)合電極材料中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)制和自由電子的運(yùn)動(dòng)方式為切入點(diǎn)，并結(jié)合PDMS的交聯(lián)特性，以金屬系的銀粉(Ag)和碳系的石墨粉(GP)為導(dǎo)電顆粒構(gòu)建了微觀導(dǎo)電模型，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合電極材料內(nèi)部存在由PDMS交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)電顆粒接觸網(wǎng)絡(luò)組成的雙重網(wǎng)絡(luò)，二者互相交聯(lián)和影響，并反映在電學(xué)性能的相關(guān)參數(shù)中。采用貢獻(xiàn)度的方法求解復(fù)合電極材料的等效電阻，計(jì)算出復(fù)合電極的電阻由導(dǎo)電顆粒本身的電阻和顆粒間的直接接觸電阻組成，并將電子穿越PDMS運(yùn)動(dòng)引起的隧道效應(yīng)視作接觸電阻的一部分，且兩種接觸電阻是影響材料整體電阻的主要因素。該研究為選擇微納級(jí)別的導(dǎo)電粉末以獲得優(yōu)良電學(xué)性能的復(fù)合電極材料奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)電顆粒-PDMS復(fù)合電極材料的制備具有指導(dǎo)作用。

(2)制備了電學(xué)優(yōu)良、力學(xué)性能滿足微加工要求的復(fù)合電極材料。首先研究了直接分散法和間接分散法對(duì)Ag粉和GP粉的分散效果，創(chuàng)新性地在間接分散法中引入乙酸乙酯(EAC)作為分散輔助溶劑，并使用吐溫80作為表面活性劑，各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果證明EAC對(duì)導(dǎo)電顆粒的分散效果較佳。探索了導(dǎo)電顆粒的種類、大小、含量和PDMS的組成、固化溫度對(duì)復(fù)合電極材料的電學(xué)力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Ag-PDMS和GP-PDMS復(fù)合電極材料的電學(xué)和力學(xué)性能存在對(duì)立問(wèn)題，隨著導(dǎo)電顆粒含量的不斷增加，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，電極的導(dǎo)電性不斷增強(qiáng)，但材料的硬度也不斷增加，逐漸失去了PDMS本該擁有的柔軟性，直至喪失可加工性和穩(wěn)定性。綜合考慮3D復(fù)合電極的微加工條件和要求，對(duì)復(fù)合電極材料的電學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了權(quán)衡和取舍，確定了以電學(xué)性能為主，力學(xué)性能滿足微加工需要為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的10nm Ag-PDMS和36%的10nm GP-PDMS作為性能優(yōu)良的復(fù)合電極，并表征其微觀結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了復(fù)合電極內(nèi)存在著雙網(wǎng)絡(luò)模型:即導(dǎo)電顆粒接觸形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和PDMS固化形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。電學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合電極材料為3D微電極的制作提供了有效途徑。

(3)開展了3D復(fù)合電極微型化和集成化的工藝研究。本研究采用模塑法作為復(fù)合電極材料微型化的方法，軟光刻技術(shù)制作模塑法所需的凹型模具。使用該方法可加工寬度為50μm，深寬比為1:1(理論上最高可達(dá)3:1)的3D復(fù)合微電極；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，制作的復(fù)合電極與PDMS結(jié)合牢固，這是其他復(fù)合電極加工方法難以實(shí)現(xiàn)的。三維微電極、電極引線、接口均為相同的復(fù)合材料，一體成型的加工減少了接觸電阻。該工藝可靠性高，重復(fù)性好，對(duì)3D復(fù)合微電極的加工具有指導(dǎo)作用，為基于導(dǎo)電顆粒-PDMS三維復(fù)合微電極的微流控芯片的大規(guī)模制作和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路。

(4)設(shè)計(jì)和制作了基于Ag-PDMS三維微電極的介電電泳分離芯片，并以三種不同大小的聚苯乙烯微球?yàn)榉蛛x對(duì)象開展實(shí)驗(yàn)研究。在芯片的設(shè)計(jì)階段，對(duì)電學(xué)相關(guān)的介電電泳理論和流體力學(xué)相關(guān)的理論進(jìn)行了推導(dǎo)和分析，并對(duì)聚苯乙烯微球在微流控芯片的分離微通道中所受介電電泳力和流體拖曳力進(jìn)行了探討。使用COMSOL對(duì)分離過(guò)程中涉及的電場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行建模和仿真，并對(duì)5、10和20μm聚苯乙烯微球的分離軌跡進(jìn)行了預(yù)測(cè)。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的10nm Ag-PDMS為復(fù)合電極材料，分別使用軟光刻法和模塑法制作模具和芯片，使用對(duì)準(zhǔn)鍵合平臺(tái)對(duì)芯片進(jìn)行封裝，得到具有兩個(gè)入口、三個(gè)出口，并帶有側(cè)壁3D復(fù)合微電極的微流控芯片。對(duì)三種不同大小的聚苯乙烯微球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分離，分析了激勵(lì)信號(hào)電壓的峰峰值和流速的改變對(duì)分離結(jié)果的影響，在激勵(lì)信號(hào)峰峰值為23V，頻率為1MHz，進(jìn)樣流速為3μL/min和1μL/min的條件下，對(duì)三種聚苯乙烯微球進(jìn)行了5min以上的連續(xù)分離，統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明分離效率能達(dá)到150顆/min，分離準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，這對(duì)于后期分離不同種類型微粒的研究奠定了較好的基礎(chǔ)。

(5)設(shè)計(jì)和制作了基于3D復(fù)合微電極的微型三電極及微流控芯片系統(tǒng)，并開展了抗壞血酸電化學(xué)檢測(cè)的初步實(shí)驗(yàn)研究。使用電解氯化法制備得到電化學(xué)性能穩(wěn)定的Ag/Ag Cl-PDMS參比電極，以微型GP-PDMS為工作電極、Ag/Ag Cl-PDMS為參比電極、Ag-PDMS為輔助電極構(gòu)建三電極體系，并將3D微電極、樣品池和進(jìn)出口流路集成到同一塊微流控芯片，構(gòu)成芯片式電化學(xué)傳感器。通過(guò)表面等離子處理，使GP-PDMS工作電極表面帶有親水性的羥基，對(duì)抗壞血酸(AA)中的兩個(gè)質(zhì)子具有較強(qiáng)的吸引力，對(duì)AA氧化過(guò)程起催化和加速作用。相比于同寬度2D電極，3D微型GP-PDMS工作電極的有效活性表面積增加了152%，降低了電化學(xué)檢測(cè)的干擾和噪聲?？筛鶕?jù)AA的濃度范圍靈活選擇檢測(cè)方法(CV法和DPV法)，靈敏度最高可達(dá)0.206A/(M·cm~2)，最低檢測(cè)限為175n M，線性范圍分別為1-250μM(DPV法)和50-1200μM(CV法)，且具有較好的選擇性和重復(fù)性。以維生素C藥片和水溶C100飲料為實(shí)際樣品，使用電化學(xué)傳感器對(duì)兩種樣品的AA濃度進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果與紫外光譜法的測(cè)量結(jié)果一致。

使用芯片式電化學(xué)傳感器可較為便捷、快速、高精度地對(duì)AA進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，擺脫了傳統(tǒng)電化學(xué)檢測(cè)的繁瑣準(zhǔn)備和復(fù)雜操作，為藥品分析和食品安全等領(lǐng)域的樣品檢驗(yàn)提供了新的解決思路。總而言之，本研究從復(fù)合電極的導(dǎo)電機(jī)理研究出發(fā)、到導(dǎo)電性能優(yōu)良的復(fù)合電極的制作、以及3D復(fù)合微電極與微流控芯片的耦合、最后進(jìn)行該類型微流控裝置的兩種應(yīng)用研究，對(duì)基于導(dǎo)電顆粒-PDMS復(fù)合電極材料的電、力學(xué)性能和制備方法有了較為深入的認(rèn)識(shí)，為微流控芯片在新領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。