复合导电材料三维微流控芯片电极的研究-生物医学工程专业论文.docxVIP

I I PAGE PAGE IV 摘 要 电场广泛应用于微流控系统中用以实现如流体混合，控制细胞或微粒等各种 功能。这些电操作大多数是由薄膜金属电极实现的，在传统的 IC 工艺中，薄膜电 极通常是由蒸发或溅射加工而成，电极的厚度被限制在几百个纳米左右。而尺度 和微流控芯片相当的三维微电极结构不仅可以在沿沟道高度方向产生均匀电场， 还具有鲁棒性好，可承受的电流密度大，加电产生的焦耳热少等优点，特别适用 于如细胞介电泳，电融合，细胞裂解，捕获等微流控芯片研究。但加工三维电极 技术难度大，成本高，与玻璃等基片键合时存在困难，常有芯片漏液现象发生。 本论文选用了一种基于导电颗粒和 PDMS 混合制成的新型复合导电材料用来 加工三维微电极，这种材料保留了 PDMS 本身的加工特性，主要具有以下两个方 面的优势：1.可以加工各种厚度和形状，2.可利用软光刻技术模塑成型，代替传统 的电极加工方法，节约成本，缩短时间。 首先，利用 Comsol Multiphysics 有限元仿真软件，对平板电极对产生的电场 分布进行了分析，并得到了芯片内部介电泳力强度和方向的分布情况。相较于左 右对称的电极结构来说，平板电极对形成的电场强度更大，细胞更容易聚集到中 间均匀电场区域，形成“珍珠串”结构。另外，对填料在基体聚合物中是如何形成导 电通路及形成后载流子传输方式进行了初步讨论和分析。 其次，在 PDMS 常规加工手段的基础上，总结出了一套完整的制作流程，分 别选用银粉和石墨粉两种不同类型的填料，制成了 Ag-PDMS 和 C-PDMS。材料电 阻率与填料含量的关系满足渗流理论，改变溶剂、固化剂、填料粒径等制备因素 也会对电阻率产生影响。借助阻抗分析仪测试了材料的交流特性，发现阻抗受频 率影响较大，且填料比例越小受频率的影响越大，激励幅值大小对各种比例的样 本几乎都不产生影响。借助扫描电镜对内部结构观察可知，填料主要以团聚体和 链状结构稳定存在。采用邵氏 A 型硬度计检测了材料硬度，测试表明填料比例增 大在提升导电性能的同时，材料的物理性能也会发生急剧变化，可加工性变差， 应结合具体应用，在导电性和可加工性之间选取一个平衡点。 最后，在对材料的微观结构和性质充分了解的基础上，结合软光刻完成了集 成有平板电极对的芯片的加工，并用于红细胞和乳腺癌细胞的排队实验。实验中 细胞排队效果明显，在介电泳力作用下形成了细胞珠串，排队率高。实验验证了 这种基于 PDMS 的复合导电材料作为三维微电极的可行性，为后续研究打下基础。 关键词：复合导电材料，三维微电极，软光刻，细胞排队 PAGE PAGE III PAGE PAGE IV ABSTRACT Electric field is widely used in microfluidic systems to perform various functions such as to mix fluids, to manipulate cells or particles and so on. Most of these electric operations are usually realized with thin metallic electrodes, generally obtained by evaporating or sputtering techniques in traditional IC process. In this case, electrode thickness is limited to few hundred nanometers.3D electrodes, equivalent to microfluidic chips on scale, are able to generate uniform electric fields over height of the channel. Moreover, 3D electrodes are usually presented as most robust, able to sustain higher current densities and to produce lesser joule heat than thin electrodes. All these features are especially suitable for biological microfluidic applications such as cell dielectrophoresis, electrofusion, lysis and trapping. However, 3D electrodes are