论文部分内容阅读
微流控是一种在微米尺度上操控流体的技术,自问世以来就受到了学术界和工业界的持续关注。目前现有的微流控器件和系统大多基于光学检测和电化学检测原理,检测复杂性和高成本限制了其大规模应用。无线微流控传感器无需引线连接和荧光标记,能够实现非侵入式检测,并可方便快捷地获取检测结果,是当前微流控研究领域的前沿热点之一。电感电容（Inductor-Capacitor,LC）电磁谐振式无线传感器具有灵活性高、工艺简单、成本低等优点而成为研究最广泛的无线传感器之一。另一方面,低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC）易于构建复杂三维微通道结构,并可实现微通道与电子线路和元器件的一体化集成,同时,在高温和腐蚀等极端条件的应用中也具有无可比拟的优势,因此,LTCC有望成为一种新型的无线微流控传感器技术途径。在上述研究背景下,本论文创新性地提出采用LTCC技术制备LC谐振天线和微通道一体化集成的无线微流控传感器,研究了其对不同液体介质的响应特性,阐明了传感器对液体的无线敏感机理,为LTCC无线微流控传感器在液体无线检测的实际应用中打下重要的科学和技术基础。论文主要研究内容和结果如下:1、基于LC谐振天线等效电路模型和有效介电常数的理论计算,结合LTCC的技术特点,设计了LTCC无线微流控传感器的结构;采用电磁-流体耦合仿真,分析了传感器敏感结构区域的电磁分布规律;采用不同公式计算出混合介质的有效介电常数,获得了谐振频率与液体介电常数的关系曲线;通过优化LTCC技术的叠层工艺,研制了初始谐振频率为134.2 MHz的LC无线微流控传感器。2、研究了传感器对非离子性溶液的无线信号响应特性,实测谐振频率与基于Maxwell-Garnett公式的计算结果具有良好一致性,并且传感器在通入去离子水后的谐振频率变化最高可达44%,是现有相关文献报道中的最高值;对不同浓度乙醇和葡萄糖水溶液进行测试,发现传感器信号响应灵敏,回归分析表明谐振频率与乙醇质量分数具有良好的二次函数关系,与葡萄糖摩尔分数具有良好线性关系;分析确定了传感器S11响应信号中谐振频率和幅值与非离子性溶液介电性能之间的关系。3、研究了传感器对离子性溶液如NaCl、Na2CO3、柠檬酸钠水溶液的无线信号响应特性,发现了S11幅值对低浓度盐溶液的浓度变化响应灵敏。以NaCl为例,在05 mM范围内灵敏度能实现1.0 dB/mM;盐溶液都会存在一个临界浓度使得S11幅值出现峰值,分析表明该临界浓度跟溶液的电导率有关,不同盐溶液的临界浓度对应同一个电导率（0.37 S/m,20℃）;另一方面,随着盐溶液浓度增加,谐振频率的变小主要是液体电导率增加引起平板电容的增加所造成。4、研究了传感器对溶于150 mM的NaCl溶液中不同浓度葡萄糖的信号响应特性,发现了谐振频率对盐溶液中葡萄糖浓度变化比在水溶液中更为灵敏。当盐溶液中葡萄糖浓度为0200 mg/mL时,传感器灵敏度约为5.18 kHz/（mg/mL）;浓度为240400 mg/mL时,传感器灵敏度则增加到14.58 kHz/（mg/mL）,均比水溶液中2.25 kHz/（mg/mL）的灵敏度要高,分析发现葡萄糖的加入会大幅降低盐溶液电导率,进而降低平板电容。5、开展了CBS,CABS,CMBS三种硼硅酸盐微晶玻璃系LTCC材料的生物兼容性研究,发现了LTCC材料中B元素的释放过大对骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells,BMSC）会产生明显的增殖抑制作用,材料表面的微孔结构会对BMSC的黏附和增殖起到促进作用。CABS微晶玻璃对BMSC具有良好的生物兼容性,有望用于LTCC微流控生物医学器件。