基于微流控技术的新型PDMS平面微阀

　　0　引言

　　微流控系统是指利用微加工技术将生物或化学领域所涉及的各种操作分析功能,如样品的预处理、混合、反应、分离和检测等集成在一个微芯片上的分析系统。微流控芯片具有微型化、集成化、高效、快速、极微的试剂消耗量和成本低等优点,可广泛应用于生物医学、疾病诊断治疗、环境检测与保护、军事和太空探索等众多领域,是当前科技发展的前沿和热点[1-2]。微阀作为微流控系统的关键执行部件,是对芯片通道内流体流动起控制限流作用的器件,其作用是实现流体通道的开、关以及流体流向的切换。它在微流控系统中的作用,相当于二极管在集成电路中的作用一样,是微流控系统最重要的部件之一。微阀的发展是微流控系统发展水平的一个重要标志,微阀的研究已成为目前微流控系统研究中最为活跃的一个分支。

　　近年来,微阀的发展十分迅速,基于各种不同设计结构和原理的微阀已相继得到报道[3-5],微阀的性能也得到了很大的提高,比如微阀的反向泄漏、死体积、响应时间、生物兼容性及成本等都得到了一定程度的改善,但同时目前微阀的商业化程度仍不高,仍有很多问题需要解决,主要包括以下2点:常规的微阀器件通常采用玻璃、硅片等材料为基底,利用硅微细加工工艺(比如光刻、刻蚀等)加工而成,对加工设备和原材料要求高,加工成本较高;目前微阀结构较为复杂,通常为非平面的多层立体结构,需采用多层硅键合工艺加工而成,工艺繁琐复杂,加工周期较长。更为重要的是这种非平面的微阀结构不易集成于微流控系统中,增加了微流控系统的集成化难度。因此开展新型微阀的研究,简化微阀的结构和制作工艺,降低成本和集成化难度,对微流控芯片的发展具有重要的意义。

　　基于此,提出了PDMS平面微阀的研究。PDMS(Polydime-thylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)作为一种柔性很好的聚合物材料,具有高气透性、光学透明、耐用、无毒、生物兼容性良好等特点。微阀的制作采用了标准的聚合物模塑法微细加工技术,制作工艺简单、材料及加工成本低、可批量生产,可广泛应用于各种微流控系统。

　　1　微阀结构及工作原理

　　微阀的结构如图1所示,主要由2层PDMS片组成:上层PDMS片和下层PDMS片。上层PDMS片不包含微结构,主要用作盖片,与下层PDMS片封合后,形成具有密闭通道的微阀器件。下层PDMS片为微阀的功能层,集成了阀片、阀塞、微通道等微结构。其中阀片一端垂直固定于流体通道(400μm宽、200μm高)的内壁;而阀塞位于阀片的左侧,两端则都被固定于微通道的侧壁上,中间则由一正对于阀片中央的阀塞通道(宽度80μm、长度500μm)隔开。