光热效应致超疏水表面液滴相变及弹跳特性实验研究

发布时间：2020-04-22 13:37

【摘要】：开放式液滴微流控技术(Droplet-based Open Microfluidics)是指通过在开放式微流控芯片上操控具有微小体积的离散态液滴实现某些特定功能的一种微流控技术。相比于通道式液滴微流控,开放式液滴微流控系统中的液滴反应单元是在开放环境中实现运输、分离、混合和反应等过程,使得该技术更便于线上分析,与各类传感、检测、控制技术的兼容性好,同时还具有重构性好,可避免交叉污染等优点。近年来,光学技术与液滴微流控技术相结合产生了一种新的液滴操控方式——光操控液滴技术。该技术以光作为激励信号,利用光与流体之间的相互作用,实现对液滴的操控,具有控制手段的多样化、高精确度、靶向性强、非接触式等优点,避免了此前控制方式所面临的控制系统复杂、运行环境要求高和系统功能易损坏等问题。基于光热效应的操控方式是光控液滴技术的一个重要分支,且在液滴操控中已经得到一定应用。虽然光热效应已被成功应用于液滴微流控技术中,并实现了各种功能,但是仍然存在大量科学问题亟待研究。特别是在开放式液滴微流控技术中,往往会利用到超疏水基底材料以降低流阻,减小控制过程所要克服的液固粘附力,同时还伴随着相变。而光热效应致超疏水表面液滴相变及超疏水表面微观结构的影响机制还不明晰。因此本文提出了基于光热效应的超疏水表面液滴相变及运动特性的研究。在论文中,首先采用多种方法制备超疏水表面,并对所制得的表面进行疏水性、可靠性、适用性和可控性进行比对研究,选取性能最佳表面作为后续实验用基底;在所选用基底表面进行基于光热效应的液滴相变实验,通过可视化实验方法获得该过程动态特征,并研究表面微观结构对液滴相变动态特性的影响规律;最后,基于以上实验结果,设计合适超疏水表面,采用光热操控方式实现液滴弹跳,对其机理和规律进行分析。主要研究结果如下:(1)采用超疏水商业涂料方法、PDMS灼烧烟雾沉积法、激光蚀刻法、金属腐蚀法以及在表面构建微柱阵列结构等方法制备超疏水表面。对所得的超疏水表面进行接触角和滚动角测量、表面微观结构表征以及机械强度测试等,分析并对比了各个表面的疏水性、可靠性、适用性以及可控性,发现具有微柱阵列结构的PTFE超疏水表面的综合性能最佳。(2)在具有微柱阵列结构的PTFE表面进行了基于光热效应的超疏水表面液滴相变实验,发现相比于光滑表面,液滴在局部热源作用下相变过程中呈现出更为强烈的接触直径扩张趋势,且由于微柱“钉扎”作用,接触直径在相变过程中没有出现收缩现象。通过研究液滴在不同几何结构微柱阵列表面上相变特性,获得了微柱几何结构尺寸参数对相变过程及界面行为的影响规律:减小微柱边长、增大微柱高度或微柱间距时,表面空气凹槽结构面积比例提高,相同加热工况下,冷凝对液滴润湿状态改变效果降低,液滴相变过程接触直径扩张距离减小,液滴高度、接触角和表面温度随之增大。(3)在上述实验研究基础上,设计了适用于液滴弹跳控制的微柱阵列PTFE超疏水基底,并对基底疏水性进行了校验与改进。在改进后的超疏基底上构建了气孔结构。当滴液置于气孔上,通过光热效应液滴蒸发导致气孔内部蒸汽压累积,实现液滴可控弹跳。通过改变气孔尺寸,获得了气孔直径和深度对液滴起弹时间、起弹液滴体积以及弹跳速度的影响规律以及激光功率对液滴弹跳的影响规律。
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微流控芯片

图 1.1 微流控芯片[18]Fig 1.1Avariety of microfluidic chips.[18]控芯片发展史芯片技术发展历程如图 1.2 所示，其最早可以追溯到 20 提出了间断式连续流动技术（Segmented Continuous F分析化学实验转移到了流体管道中进行[19]，，为分析化学。在此基础上，70 年代，两位美国科学家提出了流动注alysis, FIA）的概念，意在实现分析系统微型化。在 1979 一概念变为了现实，制造出了世界上第一台微流控设备了快速发展的道路。直到 1990 年，微流控芯片技术这一者 Manz 与 Widmer 提出，当时主要强调了分析系统的“微加工方法；之后他们采用微机电加工技术在平板上蚀刻泳与流动注射分析，进而将该技术定位为厚度不超过 5 方厘米的芯片[20]。在此之后，不同领域的学者开始关注与

微流控芯片,发展史

1 绪论片研究的公司 Caliper Technologies 于美国成立，集资近千万美元。1996 年 Mathies等人将聚合酶链反应（PCR）扩增与毛细管电泳集成到了一起[23]，97 年他们又实现了多通道毛细管电泳 DNA 测序，这一系列的突破向人们展现了微流控技术的巨大潜力，为其实际应用打下了坚实的基础。1999 年惠普公司（现名 Agilent）与 CaliperTechnologies 联合推出了第一台微流控芯片商品化仪器[24]，并在欧美进行销售，如今他们已可以提供用于核酸和蛋白质分析的多种芯片。2002 年，Science 杂志上刊登了一篇关于集成微流控芯片的文章[25]，标志着微流控芯片技术开始步入成熟阶段。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492

【参考文献】