基于电渗驱动的微型电化学分析系统研究

发布时间：2021-01-27 09:22

　　化学分析系统的微型化势必要求其流体驱动系统和检测传感器也要微型化。目前化学分析系统采用的基于蠕动泵驱动方式的微流体驱动系统体积较大,嵌入微通道内困难,且流量可控性较差,进一步减小液滴体积困难。本文采用易于嵌入微通道内的电渗微泵（Electroosmosis micropump,EOP）作为微流体驱动系统,光寻址电位传感器（Light-Addressable Potentiometric Sensor,LAPS）作为微流体检测传感器,致力于研制一种分析液消耗量更低、集成度更高的微型电化学分析系统。然而,输液效率偏低和噪声增大分别是电渗微泵和LAPS在微型化过程中所面临的问题。为提高电渗微泵的输液效率和LAPS信号的信噪比,分别提出了一种气泡协助-电渗微泵技术和一种基于小波变换的噪声抑制方法,并对相关问题进行了深入的研究。本论文的主要创新性研究成果如下:1.提出了一种基于电渗驱动的微型电化学分析系统。针对液滴式电化学分析系统采用蠕动泵流量可控性受限、减小微液滴体积和精确操控微液滴困难的问题,本文提出了一种基于电渗驱动的微型电化学分析系统。在LAPS传感表面构建了微通道,并在微通道中嵌入了一... 

【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：131 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 电化学分析系统及其微型化技术
        1.2.1 微流体检测传感器
        1.2.2 基于LAPS的微型电化学分析系统
        1.2.3 微流体驱动系统
    1.3 微型电化学分析系统的研究现状
        1.3.1 检测传感器的微系统化研究现状
        1.3.2 LAPS的噪声抑制研究现状
        1.3.3 流体驱动系统的微型化研究现状
    1.4 微型电化学分析系统现存的问题
    1.5 基于电渗驱动的微型电化学分析系统
    1.6 主要内容与安排
2 微型电化学分析系统的机理分析与方案设计
    2.1 LAPS机理分析与方案设计
        2.1.1 基本结构
        2.1.2 交变光电流产生机制
        2.1.3 pH响应
        2.1.4 pH检测方法
        2.1.5 微型电化学系统的LAPS设计方案
    2.2 电渗微泵机理分析与方案设计
        2.2.1 界面电荷的来源
        2.2.2 动电现象
        2.2.3 双电层
        2.2.4 Zeta电势
        2.2.5 电渗流的产生机理
        2.2.6 微型电化学系统的电渗微泵设计方案
    2.3 小结
3 微型电化学分析系统的制备工艺研究
    3.1 LAPS的制备工艺研究
    3.2 电渗微泵的制备工艺研究
        3.2.1 微通道阳模制作工艺
        3.2.2 微通道制作工艺
        3.2.3 电极制作工艺
        3.2.4 等离子键合工艺
        3.2.5 微通道表面亲水化处理工艺
    3.3 小结
4 基于电渗驱动的微型电化学分析系统的研究
    4.1 基于电渗驱动的微型电化学分析系统
        4.1.1 基于LAPS的电化学分析系统存在的问题
        4.1.2 基于电渗驱动的微型电化学分析系统的提出
        4.1.3 微型电化学分析系统的制备
        4.1.4 微液滴的产生方法
        4.1.5 微液滴的LAPS检测机制
    4.2 实验结果与分析
        4.2.1 LAPS的 I/V特性分析
        4.2.2 LAPS表面的电渗流现象
        4.2.3 电渗流的流量计算
        4.2.4 微液滴的产生和泵送
        4.2.5 微液滴的LAPS分析
    4.3 小结
5 气泡协助-电渗微泵技术及其微系统化研究
    5.1 气泡协助-电渗微泵
        5.1.1 气泡协助-电渗微泵的提出
        5.1.2 气泡协助-电渗微泵的基本结构
        5.1.3 气泡协助-电渗微泵的机理分析
        5.1.4 气泡协助-电渗微泵的等效电路
    5.2 微型电化学分析系统
        5.2.1 微型电化学分析系统的基本结构
        5.2.2 微型电化学分析系统的工作原理
        5.2.3 微型电化学分析系统的制备
    5.3 电渗流可视化分析系统
        5.3.1 驱动电压产生与极性切换
        5.3.2 电渗流的可视化分析
    5.4 结果与讨论
        5.4.1 气泡/薄膜水层的产生
        5.4.2 气泡/薄膜水层的电阻特性研究
        5.4.3 电渗流的产生
        5.4.4 电渗流的LAPS分析
        5.4.5 微液滴的产生
        5.4.6 微液滴的LAPS分析
    5.5 小结
6 LAPS信号的噪声抑制研究
    6.1 基于小波变换的LAPS信号降噪方法的提出
    6.2 LAPS检测系统
        6.2.1 LAPS的制备与封装
        6.2.2 光源驱动电路
        6.2.3 法拉第屏蔽箱
        6.2.4 跨阻放大电路
        6.2.5 LAPS信号读取
    6.3 小波变换原理
    6.4 LAPS信号的小波变换的结果与讨论
        6.4.1 小波变换分解结果
        6.4.2 小波变换去噪结果
        6.4.3 去噪效果评价指标
        6.4.4 去噪效果比较与讨论
    6.5 小结
7 总结与展望
    7.1 主要研究工作及成果
    7.2 未来工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加的国际会议


【参考文献】：
期刊论文
[1]半导体电极的平带电位[J]. 崔晓莉.  化学通报. 2017(12)
[2]热气泡式微流体驱动器的研究进展[J]. 刘本东,孙建闯,侯岳鹏,苏彦强,李德胜.  北京工业大学学报. 2016(08)
[3]基于PDMS的压电驱动式系列微型泵[J]. 刘国君,刘丕浩,李明,梁实海,唐春秀.  压电与声光. 2016(03)
[4]固液界面动电效应的研究进展[J]. 郭万林,费雯雯.  振动.测试与诊断. 2015(04)
[5]静电驱动振模微泵的理论分析[J]. 张彧,王文,赵小林,丁桂甫.  传感器与微系统. 2013(01)
[6]水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究[J]. 陈松柏,温志渝,魏康林,郭建.  实验科学与技术. 2012(06)
[7]电磁驱动柔性振动膜无阀微泵[J]. 苏宇锋,陈文元,崔峰.  微细加工技术. 2003(04)
[8]电渗流泵的机理分析[J]. 仲武,陈云飞,庄苹.  东南大学学报(自然科学版). 2003(03)
[9]形状记忆合金/硅复合膜驱动的微泵[J]. 徐东,蔡炳初,王莉,丁桂甫,周勇,俞爱斌.  微细加工技术. 2000(04)

博士论文
[1]高压电渗泵及其在微柱液相色谱中的应用研究[D]. 陈令新.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2003



本文编号：3002814