基于微混合器的重金屬離子微全分析系統(tǒng)芯片研究.pdf

1、基于微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,MEMS）技術的微全分析系統(tǒng)（Micro total analysis systems,μTAS）是微電子、電化學、及分析化學等多學科交叉結(jié)合的產(chǎn)物，由于具有廣闊的應用前景而成為研究的熱點。然而目前用于水質(zhì)重金屬污染檢測的μTAS芯片還存在預處理效率低、多層芯片鍵合難等問題，導致其集成程度并不高，無法滿足便攜化和實時化檢測需求。本文提出了三維馬蹄混沌混合

2、器結(jié)構(gòu)，以改善預處理效率；以微混合器為核心，結(jié)合固相萃取及安培檢測技術，設計了集成化的重金屬μTAS芯片；提出了基于聚甲基丙烯酸甲酯（PolymethylMethacrylate,PMMA）材料的新穎鍵合方法，以實現(xiàn)帶有功能模塊的多層復雜μTAS芯片的組裝；基于以上設計和裝配工藝，制備了重金屬μTAS芯片，并采用多種檢測方法對芯片的性能進行了驗證。
　　提出了三維馬蹄變換模型，通過“垂直折疊”使二維馬蹄變換后“溢出”的流體再次回到

3、系統(tǒng)內(nèi)部，不僅減少了變換過程中的流體損失，而且流動方向的多次改變使得混合器內(nèi)的流動情況更加復雜。以流體動力學方程和多組分物質(zhì)擴散方程為基礎，建立了微尺度下的流體混合模型，研究了混沌混合器的性能，結(jié)果表明變換后混沌流對混合的促進作用更為顯著。當Re=10時經(jīng)優(yōu)化設計后的三維馬蹄微混合器在12mm的混合距離內(nèi)即可接近均勻混合（σ<0.05），與“擠回式”馬蹄混合器（Re=10，σ>0.2）相比混合效果得到了明顯改善。
　　以微混合器為

4、核心，設計了新穎的重金屬μTAS芯片集成結(jié)構(gòu)。利用三維馬蹄混合器對試樣進行預處理，以滿足固相萃取柱的選擇性吸附條件；設計一體化的填充式柱床結(jié)構(gòu)，結(jié)合改性吸附劑實現(xiàn)對重金屬離子的分離富集；在流經(jīng)式檢測池結(jié)構(gòu)的基礎上設計了帶有內(nèi)充液池的Ag/AgCl參比電極，保證重金屬安培檢測的穩(wěn)定性。芯片由4層基片組成，整體尺寸為70mm×40mm×14mm，除壓力進樣裝置和電化學工作站外，整個檢測過程無需借助其他外部設備，使μTAS芯片的集成化程度得到

5、了顯著提高。
　　為實現(xiàn)基于PMMA材料的多層復雜結(jié)構(gòu)μTAS芯片的裝配，提出了有機溶劑混溶浸泡鍵合法。把三氯甲烷與無水乙醇按照一定比例混合，通過調(diào)節(jié)溶液組成和浸泡時間等參數(shù)控制材料形變量，在保證微結(jié)構(gòu)形貌的前提下實現(xiàn)了芯片的封合。當浸泡鍵合條件為：Ⅴ三氯甲烷:Ⅴ乙醇=1:10、t=10min、T=40℃時，鍵合強度達到了267.5N/cm2而形變量只有7.26％。為解決帶有功能模塊的μTAS芯片的裝配，提出了有機溶劑熏蒸鍵合法。

6、利用聚酰亞胺和硅膠作為掩膜，保護功能模塊中易受有機蒸汽破壞的部分，當使用三氯甲烷作為熏蒸溶劑、熏蒸溫度為65℃、熏蒸時間為40s時，鍵合強度為61N/cm2，形變量為9.5%。
　　使用以上裝配方法，分別制作了用于試樣預處理的微混合器芯片、用于重金屬離子分離的固相萃取芯片和用于重金屬離子檢測的安培傳感器芯片，并采用多種測試方法對上述芯片的性能進行了評價。以此為依據(jù)確定了μTAS芯片的工作條件。最后以Hg2+溶液和Pb2+、Cr3+