基于声表面波数字微流体破裂器件研究

发布时间：2020-03-25 23:03

【摘要】：数字流体(液滴)是微流分析系统中的重要操控对象,用于装载或包封DNA分子、蛋白质、细胞、病毒、毒品、生物微粒等生化分析目标物,是生化技术中微反应器,即生化反应的场所。数字微流体(液滴)破裂不仅可以将尺寸较大液滴破裂为尺寸较小微液滴,而且可以实现液滴内溶液浓度控制,在DNA分析、蛋白质分析、细胞分析、毒品检测及生物微粒富集、目标生物微粒分选等得到应用。压电器件由于工艺成熟、简单,微流操作能力强等特点,应用于微流分析系统中,并得到快速发展,因此,压电基片上微流分析系统已经成为微流控学中重要分支,受到国内外学者的高度重视。压电基片上液滴破裂是压电微流分析系统中重要的基础操作,但传统的连续电信号作用于叉指换能器,激发强声表面波使液滴飞逸实现微液滴破裂方法需要较大的电信号功率,限制了其在压电微流分析系统中应用,有待改进。此外,微通道内液滴破裂后也存在子夜滴体积比不能灵活调节的问题。本文针对以上问题,提出了压电基片上微通道内微液滴和开放平面压电基片上液滴破裂方法,并设计了三种基于声表面波微液滴破裂器件。所开展的工作和取得的成果主要体现在以下三个方面:1针对微流器件中微通道内微液滴破裂时子液滴体积比调节较为困难问题,提出了声表面波结合微通道内PVC薄片分叉子通道,实现压电基片上微通道内液滴破裂后子液滴的体积比灵活可调,即体积比可控破裂器。详细设计了压电器件上叉指换能器的参数,并采用微电子工艺在128°YX-LiNbO3压电基片上光刻叉指换能器,将模铸法制作的微通道(PDMS)及PVC分叉的子通道贴合于压电基片上,构建了压电基片上微流体破裂器件。在叉指换能器上施加电信号,其激发的声表面波调节待破裂微液滴在微通道宽度方向上位置,当液滴在油相流体携带下流过PVC薄片,将液滴破裂为两个子液滴。为阻碍破裂后子液滴再度融合,在分叉通道一侧设计阻流条,使得破裂后子液滴在两子通道内流速不一致。以石蜡油为连续相,红墨水溶液微液滴为离散相进行液滴破裂实验,成功地实现了声表面波作用下破裂后子液滴体积比为0.92和1.43。2为克服传统的连续声表面波破裂压电基片上微液滴需要电信号功率较大的缺点,提出了瞬间降低电信号功率方法破裂压电基片上微液滴,提出了微功耗破裂器件。在128°YX-LiNbO3压电基片上光刻中心频率为27.5 MHz叉指换能器,在叉指换能器上施加一定功率的电信号,压电基片上微液滴在声表面波作用下发生形变,瞬间降低该电信号功率,液滴下部由于重力和基片间表面张力作用保持原状态,液滴上部由于声表面波流力的惯性作用逸出液滴而发生破裂。研究了液滴破裂的动力学特性;以红墨水溶液微液滴为实验对象,验证了所提出液滴破裂方法的正确性,当电信号功率从12.3 dBm瞬间降低到-3.98 dBm,4 μl液滴可连续多次发生破裂。3复杂的生化分析系统往往需要质荷多基片间精确输运,提出了压电基片上球珠辅助实现液滴破裂方法,在垂向输运高度精确可控同时实现液滴破裂。在128°YX-LiNbO3压电基片上光刻叉指换能器,其上施加电信号,激发的声表面波驱动液滴沿球珠表面输运,到达球珠顶部后,在足够的声表面波流力下,顶部液滴发生破裂,实现基片空间垂向输运。对液滴受力特性进行分析,并研究了液滴空间输运的力学条件;推导了液滴球珠表面输运的临界体积。实验验证了5μl红色墨水溶液微液滴在30.8 dBm的电信号作用下可以沿2 mm直径的球珠表面输运并成功破裂。另外,作为所提出的基于声表面波液滴破裂方法的应用,将自行研制的声表面波液滴破裂器件应用于不同性质微液滴物理混合及化学显色反应。
【图文】：

示意图,液滴,通道长度,微流体

正十六环烷为连续相，水液滴为分散相，利用微通道尺寸特点无源地将体积较大逡逑的分散相水液滴破裂为体积相对较小的子液滴。微通道内液滴破裂结构示意图如逡逑图１－１所示。逡逑（ａ）］邋ＩｋｂＪ邋Ｈ＊邋ＩＮ邋ｆｒ＿ＩＮ：邋＃邋：逡逑１０＂ｉ邋；ｊ｜｜逡逑逦ＨＨ逡逑图１－１邋Ｔ型结液滴无源破裂结构示意图，（ａ）Ｔ型结液滴破裂示意图，（ｂ）－（ｄ）不同通道长度逡逑比下微流体破裂逡逑Ｔ型结无源破裂方法微液滴能否破裂决定于微通道内连续相流体流速和离逡逑散相微液滴体积大小，达到一定临界值后，，分散相液滴发生破裂。液滴破裂后在逡逑两分支通道的子液滴体积与分支通道长度有关，因此，可以通过调节图１－１中分逡逑支通道长度／，和／２，改变破裂后子液滴体积，在足够大的离散相母液滴尺寸下，逡逑破裂后两子液滴体积比正比于分支通道长度比／，／／２［１５］，但器件一经制作完成，破逡逑裂后子液滴的体积比不易调节。逦３逡逑Ｊｕｌｌｉｅｎ［ｌ６］在Ｄ．ＲNｉｎｋ工作基础上，将分散相液滴通过Ｔ型结流动然后破裂逡逑归纳为典型的三种流动模式，即不破裂模式、带间隙破裂模式和液滴始终阻塞流逡逑体破裂模式

液滴尺寸,连续相,液滴

Ｐ￡．，％分别为连续相和离散相容积流率、连续相流体密度、表面逡逑张力和微通道宽度。逡逑所研究的微流器件和所要破裂的液滴尺寸如图１－２所示。逡逑ｎ逡逑ｗｎｉｕｍｒｉｎ邋ｍ邋ｎｉ？邋．邋．逦．邋．邋．ｔ逡逑Ｆｌｏｗ邋４ｆｆ？ｃｔｉ０ｉｉ邋＂逦■逦４００逡逑图１－２邋Ｔ型结和所要破裂的液滴尺寸逡逑为详细揭示微通道内离散相液滴破裂过程机理，将液滴破裂过程分为四个阶逡逑段：挤压、形变、交错断裂和线断裂阶段。实验和理论分析各阶段遵循的破裂规逡逑律和所受的力，结果如表ｉ－ｉ所示。逡逑表ｉ－ｉ中，《，．（，．＝１＞２３）代表不同阶段变量，其值与连续相和离散相两相流体粘逡逑性比、连续相毛细管数和无量纲液滴长度（（／％）有关。表ｉ－ｉ中所涉及的各逡逑４逡逑
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN65

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