仿生微流控泵的微孔扩散机制研究

发布时间：2017-03-30 10:26

  本文关键词：仿生微流控泵的微孔扩散机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微流控技术的发展,微流体驱动技术越来越受到人们的重视。微流体的驱动控制技术是微流控芯片能够广泛应用和发展的前提和关键。只有实现了对流体的控制,才能完成生物、化学、医学等实验需要的各种操作。基于植物气孔蒸腾作用的机理,本文提出了一种新的微流体驱动方式。 水蒸气通过植物气孔扩散到周围环境的效率很高,相当于相同面积自由水的几十倍。本文研究了植物蒸腾作用的机理,包括植物体内水分运输的机理及气孔蒸腾作用的机理。气孔的大小及分布影响气孔蒸腾的效率。本文通过仿真及实验研究了不同孔间尺寸和不同孔间距离对水蒸气扩散速率的影响。主要内容如下： (1)植物通过根部的主动吸收,将水分从土壤吸收到植物体内；气孔蒸腾作用在植物体内产生负压,在大气压的驱动下拉动液体上升至叶片；分子的内聚力保证水分可以连续上升; (2)基于气孔蒸腾作用的机理,建立了水蒸气通过气孔扩散的数学模型,在COMSOL Multiphysics软件平台上,对水蒸气通过微孔阵列的扩散过程进行了仿真模拟。通过分析水蒸气通过不同尺寸、不同孔间距的微孔阵列的扩散通量,得到微孔的尺寸、孔间距对水蒸气扩散速率的影响。结果表明,水蒸气通过气孔扩散的过程存在边缘效应,并且孔间距的增加和孔尺寸减小均可降低相邻孔间干扰,从而增大水蒸气的扩散速率； (3)基于植物体内水分运输的机理及气孔蒸腾的机理,设计并制作了带有微孔膜的仿生微流控泵,用于模拟植物的蒸腾作用。仿生微流控泵主要由微孔膜、多孔介质、储液池三部分构成。上层的SU-8胶微孔膜上有微孔阵列,用来模仿植物气孔,水蒸气经由微孔膜中的微孔阵列扩散到周围环境中。中间层采用亲水性的多孔陶瓷,用于模拟叶肉细胞中的细胞间隙,其内部有很多互交连的立体微孔纳孔通道结构,提供巨大的蒸发表面积。底层有进水通道和排水通道,进水通道与外部蓄水池相连,源源不断的为微泵提供水分,排水通道用来排出多余的气体和水分。 (4)通过测量带有不微孔膜时仿生微泵的流量,得到孔尺寸及孔间距对水蒸气扩散速度的影响,将实验结果与仿真结果进行对比,得到的孔尺寸及孔间距离对孔流量的影响基本相同。 水分通过微孔扩散是通过自由水表面扩散的几十倍,仿真及实验结果均表明,当孔间距离越大时,相邻孔之间的干扰越小,水蒸气通过微孔扩散的速度越快。孔尺寸越小单位面积的孔的流量越高,水蒸气通过微孔扩散的效率越高。
【关键词】：仿生微泵 气孔蒸腾 微孔水分扩散 边缘效应
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH38;TB17
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 背景和意义10-12
• 1.1.1 微泵分类和特点10-11
• 1.1.2 微泵存在的问题11-12
• 1.2 微流控泵研究现状12-15
• 1.2.2 微泵的国内外研究现状12-15
• 1.3 水分微孔扩散机制的研究现状15-16
• 1.3.1 小孔扩散理论15
• 1.3.2 相邻孔对扩散速度的影响15-16
• 1.4 研究意义及主要内容16-19
• 1.4.1 研究意义16-17
• 1.4.2 研究内容17-19
• 2 植物水分传输机理研究19-27
• 2.1 植物的蒸腾作用19
• 2.2 植物体内水分传输的机理19-22
• 2.2.1 水分传输通道19-20
• 2.2.2 水分传输的动力20-21
• 2.2.3 水分传输中的负压21-22
• 2.3 植物气孔蒸腾作用的机理22-26
• 2.3.1 气孔的生理生态学基础22-24
• 2.3.2 气孔蒸腾及机理24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 微孔扩散边缘效应的仿真分析27-34
• 3.1 气体扩散的理论分析27
• 3.2 仿真模型的建立27-29
• 3.2.1 模型尺寸的确定27-28
• 3.2.2 模型的建立28-29
• 3.3 仿真结果29-33
• 3.3.1 水蒸气浓度的仿真结果29-30
• 3.3.2 水蒸气扩散通量的仿真结果30-31
• 3.3.3 仿真结果分析31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 4 仿生微孔膜和仿生微泵的设计及制作34-43
• 4.1 仿生微泵的设计34
• 4.2 多孔介质材料的选取34-36
• 4.2.1 多孔介质概述34-35
• 4.2.2 多孔介质材料的选取35-36
• 4.3 微孔膜的设计及制作36-39
• 4.3.1 微孔膜材料的选择36
• 4.3.2 SU-8微孔膜的设计36-37
• 4.3.3 SU-8胶微孔膜的制作工艺37-39
• 4.4 微泵泵体的设计及制作39-41
• 4.4.1 微泵泵体的设计39-40
• 4.4.2 微泵泵体的制作40-41
• 4.5 微泵的组装及密封41
• 4.6 本章小结41-43
• 5 仿生微流控泵的微孔水分扩散实验43-49
• 5.1 微泵气体蒸发流量的测定方法43
• 5.2 实验结果43-47
• 5.2.1 微泵流速的计算43-45
• 5.2.2 微泵流速的稳定性45-46
• 5.2.3 水蒸气通过微孔扩散的速度46-47
• 5.3 实验结果与仿真结果对比47-48
• 5.4 本章小结48-49
• 结论49-50
• 参考文献50-53
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况53-54
• 致谢54-55

【参考文献】

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本文编号：276916