基于微泡芯片的微流体混合及颗粒操控研究

发布时间：2020-04-03 05:50

【摘要】：微泡在生命科学领域有着重要作用,而微泡结合超声的应用更为典型,大量的研究者从临床超声造影、超声给药到超声刺激治疗、超声溶栓,从颗粒操控、微泡射流到微泡驱动、声致发光等方面做了深入研究,赋予了微泡新的生命活力。微泡作为一个动力源,可实现非接触、高效、低成本和低能耗的微流体混合,也可操控微流控腔道内的粒子、细胞、线虫等物质。基于微泡的各项优势,本文设计并制备了可用于实现微流体混合和颗粒操控的微泡芯片。本文的主要工作及成果如下:(1)结合前人的工作,提出了声热空化微泡和微结构捕获生成微泡两种设计微泡芯片的方案,以Rayleigh-Plesset方程为研究基础,计算了微泡的共振频率,提出被动空化检测方法,用于确定微泡产生稳态空化,并确定微泡振幅随能量的变化关系,并分析了振动微泡诱导的微流场中的声辐射力和Stokes拽力,从而预测颗粒在流场中的运动状态,并通过COMSOL仿真验证了微泡振动引起的微流场可以实现颗粒操控研究。(2)根据实验方案选用芯片的基底材料,研究了两种方案的芯片微纳加工工艺,对设计、制备的芯片进行封装,用矢量网络分析仪、红外热像仪和光学显微镜等设备对微泡芯片的性能进行测试,从而选择了效率更高、制作成本更低的微结构捕获微泡的设计方案。通过被动空化检测方法验证微泡芯片工作时的状态,用激光多普勒测振仪验证芯片中微泡所在位置声场的均一性。(3)设计了Y型微流控腔道,用振动微泡作为动力源,引入相对混合指数定量评估液体混合效果,探索不同能量下液体的混合效果,从而确定了最佳混合参数,实现了液体在37.5 ms内快速混合。(4)引入2μm聚苯乙烯小球作为标记物,观察了振动微泡诱导的微流场形态,且在光学显微镜下,可以观察到振动微泡可快速高效捕获小鼠脑微血管内皮细胞。设计了阵列微泡结构,研究不同直径的微泡对不同大小颗粒的影响效果,实现了大小分别为1μm和10μm的聚苯乙烯颗粒被不同直径的微泡高效被捕获。本文制备了可用于微流体混合和颗粒操控的微泡芯片,通过多维度测试,验证了微泡性能的优越性,为今后生命科学领域实现低成本医疗诊断提供了新的研究思路。
【图文】：

液体混合

基于微泡芯片的微流体混合及颗粒操控研究被动混合大多是借助水流动力使得两种液体交融混合，同时设计多种交体在转弯处，由于惯性力的作用，使得液体间的接触面积和接触时间增实现液体均匀混合。通过毛细管注入一个直径为 150μm 的微泡粘附在用 Teflon 做过疏水处板上，借助介质上电润湿技术可以移动在玻璃板上的微泡，在超声驱振动引起的微流可以捕获玻璃球、PS 小球、鱼卵和活的水蚤[42]。通过电极板的高度研究两个液滴的融合和分裂情况，电极板的高度可以决定小，从而决定液体表面张力诱导的压力以及所施加的粘性力，液滴融合微量试剂摄取和反应发面具有重大意义[37]，如图 1-9 所示。

压电膜,混合器,芯片载体,微混合器

剂摄取和反应发面具有重大意义[37]，如图 1-9 所示。图 1-9 电湿润诱导液体混合[37]Figure 1-9. Electrowetting induced liquid mixing[37]提出一种新型的硅薄膜混合器，，该微混合器基于有源混合作为关键元件，膜底部和芯片载体之间形成小的腔室，并统检测酸碱值[38]，如图 1-10 所示。mixingpiezo disk membrane silicon
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77

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