快速微纳液滴系统的研制与应用

发布时间：2017-09-22 03:15

  本文关键词：快速微纳液滴系统的研制与应用

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【摘要】：微流控芯片,凭借其体积小、效率高、试剂消耗少、分辨率高、灵敏度高、耗时短、成本低等优点,被广泛应用在各个领域。而液滴微流控技术作为微流控技术的重要分支,在近几年来倍受青睐,带来了大量的科学发展和技术的进步。微流控芯片操控的基础是微流体的驱动和控制技术。目前应用比较普遍的驱动方式就是注射泵驱动,但是注射泵驱动的纹波较大、单一注射器的流速范围小、芯杆容易变形、不易集成自动化等不足是注射泵无法绕过的缺陷。为很好的解决注射泵的问题,可以采用具有脉动纹波小、响应速度快、控制范围广等优点的气压驱动系统作为微流控的驱动源。因此,通过采用模块化设计思想从硬件电路设计、人机交互上位机界面设计、泵外形等机械结构设计、管路连接器件的选择等几个方面设计基于气压驱动的快速微纳液滴系统。该系统有如下优点：1)体积小、重量轻,有两个相互独立腔室可以同时驱动两路液体流动；2)该系统达到了0 bar到10 bar的宽范围气压控制、在整个宽范围内都拥有0.001 bar的分辨率和0.001 bar的精度；3)利用该系统最小可以生成皮升级的液滴,非常方便微纳升液体的输送。利用基于气压驱动的快速微纳液滴系统研究不同的复配表面活性剂亲水亲油平衡值(HLB值)和不同复配表面活性剂含量对液滴稳定性的影响,并通过液滴的液滴个数、归一化平均粒径、液滴粒径标准差、液滴粒径归一化标准差随时间的变化情况以及液滴粒径的概率分布情况,分析得出当HLB值为5.5,并且复配表面活性剂与矿物油体积比为5：95(也即复配表面活性剂在油相中体积分数为5%)时,生成100μm以内的液滴的稳定性是最好的。通过利用快速微纳液滴系统和以上表面活性剂值和配比研究在不同油相、水相气压以及不同油相水相气压比下,液滴粒在流道中的形态和分布以及液滴粒径的情况。通过实验表明不同的油相水相气压会影响交叉口处水相“收缩颈”的大小,从而影响液滴粒径的大小。在油相气压大于水相气压时,随着油相气压的增大,液滴粒径会减小,并且减小速度先快后慢。液滴粒径变化斜率的绝对值与油相和水相气压比值呈倒数关系。并且,在相同的油相和水相气压比下,液滴粒径随着水相气压的增大而减小。快速微纳液滴系统非常适合作为液滴微流控或其他微流控的驱动源,相信在不久的未来,会越来越多的被采用,甚至在某些方面完全取代注射泵的应用。
【关键词】：微流控 恒压驱动 嵌入式 模块化 液滴
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 微流控芯片10-16
• 1.1.1 微流控芯片的产生和发展10-11
• 1.1.2 微流控芯片材料和制作11-12
• 1.1.3 微流控的分类12-16
• 1.2 液滴微流控16-23
• 1.2.1 液滴微流控简介16
• 1.2.2 液滴生成16-20
• 1.2.3 液滴微流控的应用20-23
• 1.3 液滴微流控驱动系统及发展现状23-24
• 1.4 本章小结24-25
• 1.5 本课题的研究意义、内容和技术路线25-28
• 1.5.1 研究目的和意义25
• 1.5.2 研究内容25-26
• 1.5.3 技术路线26-28
• 第二章 快速微纳液滴系统的研制28-42
• 2.1 系统硬件设计28-37
• 2.1.1 系统硬件框图28-29
• 2.1.2 系统硬件模块介绍29-31
• 2.1.3 主要通信协议简介31-35
• 2.1.4 硬件系统PCB设计35-36
• 2.1.5 硬件抗干扰设计36-37
• 2.2 嵌入式软件设计37-39
• 2.3 上位机软件39-40
• 2.3.1 PC电脑上位机39-40
• 2.3.2 智能手机上位机40
• 2.4 机械部分设计40-41
• 2.5 其他部件选型41
• 2.6 本章小结41-42
• 第三章 快速微纳液滴系统测试和评估42-52
• 3.1 系统平台搭建42-44
• 3.1.1 流阻管道和普通管道42-43
• 3.1.2 微流控芯片43-44
• 3.1.3 系统平台实物图44
• 3.2 系统功耗及性能评估44-45
• 3.3 系统气压控制及性能评估45-47
• 3.3.1 气压控制范围及稳定性45-46
• 3.3.2 系统响应时间46-47
• 3.4 流速控制稳定性及性能评估47
• 3.5 系统生成液滴稳定性及性能评估47-49
• 3.5.1 液滴粒径的均一性48
• 3.5.2 管道中液滴分布的稳定性48-49
• 3.6 系统极值测试49-50
• 3.7 结果讨论50
• 3.8 本章小结50-52
• 第四章 快速微纳液滴系统的应用52-68
• 4.1 引言52-53
• 4.2 材料与仪器53
• 4.3 平台搭建53-55
• 4.4 液滴稳定性研究55-61
• 4.4.1 实验步骤55-57
• 4.4.2 亲水亲油平衡(HLB)值对液滴稳定性的影响57-59
• 4.4.3 复配表面活性剂含量对液滴稳定性的影响59-60
• 4.4.4 结果与讨论60-61
• 4.5 气压对液滴影响的测试61-67
• 4.5.1 实验步骤61-62
• 4.5.2 气压与液滴形态的关系62-63
• 4.5.3 气压与液滴粒径的关系63-67
• 4.5.4 结果与讨论67
• 4.6 本章小结67-68
• 第五章 总结与展望68-70
• 5.1 工作总结68
• 5.2 工作展望68-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-76
• 硕士阶段发表论文76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 陈九生;蒋稼欢;;微流控液滴技术:微液滴生成与操控[J];分析化学;2012年08期

2 余国贤;周晓龙;余立平;金亚青;;非离子乳化剂的HLB值和油包水乳化燃料油性质的关系[J];石油学报(石油加工);2006年04期

3 任智,陈志荣,吕德伟;非离子表面活性剂乳液体系抗聚并稳定性的实验与分析[J];化工学报;2002年03期

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本文编号：898463