【摘要】：微流控芯片可以在平方厘米级别的区域内实现生物、化学、医学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、分离和检测等操作，具有体积小、造价低、样品消耗少、检测快速、检测分辨率高和灵敏度高等优势，这使其在生化分析、卫生检疫、药物合成筛选、环境检测与保护、司法鉴定等众多领域有着极为广阔的应用前景。许多的技术手段被综合用于微流控平台的设计，其中微电极技术以响应时间短、安装方便、易集成和兼容性好等优势成为了微流控领域常用的手段之一。


微电极对于微流控芯片具有重要的作用，它不但可以将外部电信号传导入芯片内部，以实现电泳、介电电泳、电穿孔和电融合等功能；还能作为传感器，将芯片内部环境参数转化为电信号，并传到芯片外，实现对芯片内p H值、压力、浓度、温度、阻抗值等参数的检测。按照厚度不同，常将微电极分为纳米级别的二维(2D)电极和微米级别的三维(3D)电极，其中3D电极具有空间电场均匀性好，有效电极表面积大、能承受电流强度大、鲁棒性好等优点。按照材质不同，可将微电极分为ITO电极、金属电极、碳系电极和复合电极等，其中复合电极具有对设备依赖性小、操作简便、造价低廉等特点。3D复合微电极结合了3D电极和复合电极的优点，在微流控芯片的大规模生产和产业化应用等方面具有很大的发展潜力。现有研究较多聚焦在如何将复合电极材料通过各种微加工工艺，制作成形状和功能不同的3D复合微电极，但对3D复合微电极涉及的有关复合材料的导电理论、性质、制备方式等尚缺乏系统性研究。


聚二甲基硅氧烷(PDMS)是微流控领域最常见的芯片制作材料，具有透光性好、复制精度高、价格低廉等优点，但PDMS的表面能低，与金属结合能力差，在PDMS芯片上加工和集成3D微电极，面临电极易脱落、加工难度大等挑战。为了寻找可靠性高、操作简便的3D微电极加工材料和工艺，解决在PDMS微流控芯片中加工和集成3D微电极面临的技术难题，本研究提出了一种电学性能优良的导电颗粒-PDMS复合电极材料设计方案，建立了一套可靠性高、操作简便，可在PDMS微流控芯片上加工不同形状和尺寸3D微电极的加工工艺，并开展了相关应用实验研究。主要研究工作包含以下几方面:


(1)开展了导电颗粒-PDMS复合电极材料的导电理论与导电网络模型研究。以复合电极材料中导电网络的形成机制和自由电子的运动方式为切入点，并结合PDMS的交联特性，以金属系的银粉(Ag)和碳系的石墨粉(GP)为导电颗粒构建了微观导电模型，研究发现复合电极材料内部存在由PDMS交联网络和导电颗粒接触网络组成的双重网络，二者互相交联和影响，并反映在电学性能的相关参数中。采用贡献度的方法求解复合电极材料的等效电阻，计算出复合电极的电阻由导电颗粒本身的电阻和颗粒间的直接接触电阻组成，并将电子穿越PDMS运动引起的隧道效应视作接触电阻的一部分，且两种接触电阻是影响材料整体电阻的主要因素。该研究为选择微纳级别的导电粉末以获得优良电学性能的复合电极材料奠定了理论基础，对导电颗粒-PDMS复合电极材料的制备具有指导作用。


(2)制备了电学优良、力学性能满足微加工要求的复合电极材料。首先研究了直接分散法和间接分散法对Ag粉和GP粉的分散效果，创新性地在间接分散法中引入乙酸乙酯(EAC)作为分散辅助溶剂，并使用吐温80作为表面活性剂，各项性能测试结果证明EAC对导电颗粒的分散效果较佳。探索了导电颗粒的种类、大小、含量和PDMS的组成、固化温度对复合电极材料的电学力学性能的影响。研究发现Ag-PDMS和GP-PDMS复合电极材料的电学和力学性能存在对立问题，随着导电颗粒含量的不断增加，导电网络逐渐形成，电极的导电性不断增强，但材料的硬度也不断增加，逐渐失去了PDMS本该拥有的柔软性，直至丧失可加工性和稳定性。综合考虑3D复合电极的微加工条件和要求，对复合电极材料的电学和力学性能进行了权衡和取舍，确定了以电学性能为主，力学性能满足微加工需要为标准，通过实验选择质量分数为75%的10nm Ag-PDMS和36%的10nm GP-PDMS作为性能优良的复合电极，并表征其微观结构，验证了复合电极内存在着双网络模型:即导电颗粒接触形成的导电网络和PDMS固化形成的交联网络。电学性能优良的复合电极材料为3D微电极的制作提供了有效途径。


(3)开展了3D复合电极微型化和集成化的工艺研究。本研究采用模塑法作为复合电极材料微型化的方法，软光刻技术制作模塑法所需的凹型模具。使用该方法可加工宽度为50μm，深宽比为1:1(理论上最高可达3:1)的3D复合微电极；通过实验测试，制作的复合电极与PDMS结合牢固，这是其他复合电极加工方法难以实现的。三维微电极、电极引线、接口均为相同的复合材料，一体成型的加工减少了接触电阻。该工艺可靠性高，重复性好，对3D复合微电极的加工具有指导作用，为基于导电颗粒-PDMS三维复合微电极的微流控芯片的大规模制作和产业化应用提供了新的思路。


(4)设计和制作了基于Ag-PDMS三维微电极的介电电泳分离芯片，并以三种不同大小的聚苯乙烯微球为分离对象开展实验研究。在芯片的设计阶段，对电学相关的介电电泳理论和流体力学相关的理论进行了推导和分析，并对聚苯乙烯微球在微流控芯片的分离微通道中所受介电电泳力和流体拖曳力进行了探讨。使用COMSOL对分离过程中涉及的电场和流场进行建模和仿真，并对5、10和20μm聚苯乙烯微球的分离轨迹进行了预测。以质量分数为75%的10nm Ag-PDMS为复合电极材料，分别使用软光刻法和模塑法制作模具和芯片，使用对准键合平台对芯片进行封装，得到具有两个入口、三个出口，并带有侧壁3D复合微电极的微流控芯片。对三种不同大小的聚苯乙烯微球进行实验分离，分析了激励信号电压的峰峰值和流速的改变对分离结果的影响，在激励信号峰峰值为23V，频率为1MHz，进样流速为3μL/min和1μL/min的条件下，对三种聚苯乙烯微球进行了5min以上的连续分离，统计结果证明分离效率能达到150颗/min，分离准确率达到90%以上，这对于后期分离不同种类型微粒的研究奠定了较好的基础。


(5)设计和制作了基于3D复合微电极的微型三电极及微流控芯片系统，并开展了抗坏血酸电化学检测的初步实验研究。使用电解氯化法制备得到电化学性能稳定的Ag/Ag Cl-PDMS参比电极，以微型GP-PDMS为工作电极、Ag/Ag Cl-PDMS为参比电极、Ag-PDMS为辅助电极构建三电极体系，并将3D微电极、样品池和进出口流路集成到同一块微流控芯片，构成芯片式电化学传感器。通过表面等离子处理，使GP-PDMS工作电极表面带有亲水性的羟基，对抗坏血酸(AA)中的两个质子具有较强的吸引力，对AA氧化过程起催化和加速作用。相比于同宽度2D电极，3D微型GP-PDMS工作电极的有效活性表面积增加了152%，降低了电化学检测的干扰和噪声。可根据AA的浓度范围灵活选择检测方法(CV法和DPV法)，灵敏度最高可达0.206A/(M·cm~2)，最低检测限为175n M，线性范围分别为1-250μM(DPV法)和50-1200μM(CV法)，且具有较好的选择性和重复性。以维生素C药片和水溶C100饮料为实际样品，使用电化学传感器对两种样品的AA浓度进行检测，其结果与紫外光谱法的测量结果一致。


使用芯片式电化学传感器可较为便捷、快速、高精度地对AA进行定性和定量检测，摆脱了传统电化学检测的繁琐准备和复杂操作，为药品分析和食品安全等领域的样品检验提供了新的解决思路。总而言之，本研究从复合电极的导电机理研究出发、到导电性能优良的复合电极的制作、以及3D复合微电极与微流控芯片的耦合、最后进行该类型微流控装置的两种应用研究，对基于导电颗粒-PDMS复合电极材料的电、力学性能和制备方法有了较为深入的认识，为微流控芯片在新领域的应用提供了技术支持。