数字微流控芯片开发与应用研究

发布时间：2017-04-15 09:18

  本文关键词：数字微流控芯片开发与应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：液滴微流控又称数字微流控,该技术具有样品消耗量少、反应快、传质传热效果好、无交叉污染等优点,是微流控技术的研究热点。其应用范围涵盖分析测试、生物工程、医学分析、有机合成等尖端科技领域。微液滴生成装置作为该技术的基础,是产生大量稳定、均一微液滴的关键,而市场上现有的该种装置价格昂贵,因此开展对该技术的相关研究并开发出一套经济实用的微液滴生成装置具有重要意义。首先,综述了微流控芯片及液滴形成与操纵的国内外研究现状与发展动态,在此基础上确立了以开发微流控芯片及配套装置为研究目标。阐述了微液滴的生成原理及其相关理论,包括液滴动力学的无量纲参数、润湿现象及接触角、液滴流阻的计算、Marangoni效应、液滴的界面动力学等。分析了主动法及被动法两种生成微液滴方法的异同,由于被动法用于微液滴的高通量制备,因此本文选用被动法。在上述基础上设计并加工了常规十字型、蛇型及二次分裂十字型通道结构的微流控芯片。此外,为保证实验过程中的气密性良好,对现有夹具进行了改进,通过在上盖加工用于插细管的孔并在底座加工用于观测的通槽使其与实验所用芯片相匹配。其次,开发出一套微液滴生成装置并实现了两种控制方案,分别为基于PC和基于单片机的控制方案。方案一硬件部分包括柱塞泵、电磁阀、步进电机驱动器、光耦隔离保护电路、串口、并口、电源、计算机、微流控芯片。软件部分用VB.NET编写,包括串口通讯程序及并口控制程序;方案二以STC89C52RC单片机为控制核心,在上述基础上脱离了串、并口的控制成为一套独立的便携式装置。最后,利用所设计的芯片、夹具、研发的装置以及改进的倒置显微镜搭建了实验平台并通过调节流速成功制备出不同体积的微液滴。用COMSOL软件对微液滴生成过程及两相流速、黏度等因素的影响进行了仿真,并与实验结果相对比。此外,还探讨了微液滴在单细胞包裹、蛋白质结晶、微粒合成、药物运输、生物PCR技术以及疾病检测等方面的应用。
【关键词】：微流控 数字微流控芯片 微液滴 通道结构
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O35
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题的研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.2.1 微流控芯片的研究现状10
• 1.2.2 微液滴的形成及操纵的研究现状10-11
• 1.3 主要研究内容11
• 1.4 研究路线11-13
• 第二章 微液滴生成及运动的理论研究13-33
• 2.1 水平油水两相流流型及影响因素13-15
• 2.1.1 两相流流型13-14
• 2.1.2 流型的影响因素:14-15
• 2.2 微通道中两相流液滴动力学基本原理15-23
• 2.2.1 液滴动力学的无量纲参数15-17
• 2.2.2 润湿现象及接触角17-19
• 2.2.3 液滴流阻的计算19-20
• 2.2.4 Marangoni效应20-21
• 2.2.5 无限流场中液滴的界面动力学21-23
• 2.2.6 微通道中液滴的界面动力学23
• 2.3 微液滴的生成过程及影响因素23-25
• 2.3.1 对流微通道中液滴的生成及影响因素23-25
• 2.3.2 垂直微通道中液滴的生成25
• 2.4 微液滴的生成方法25-31
• 2.4.1 主动法25-27
• 2.4.2 被动法27-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 实验系统的开发及构成33-51
• 3.1 微流控芯片设计与加工33-37
• 3.1.1 微流控芯片的设计33-34
• 3.1.2 微流控芯片的加工34-37
• 3.2 基于PC的控制方案37-43
• 3.2.1 装置的硬件组成37-41
• 3.2.2 上位机程序41-43
• 3.3 基于单片机的控制方案43-48
• 3.3.1 硬件设计43-46
• 3.3.2 软件设计46-48
• 3.4 实验夹具的开发48-49
• 3.5 实验系统的构成49-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 液滴生成仿真与实验研究51-69
• 4.1 COMSOL软件概述51
• 4.2 仿真方法及条件设置51-54
• 4.2.1 水平集方法理论概述51-52
• 4.2.2 确定控制方程52-53
• 4.2.3 设定边界条件53-54
• 4.2.4 设置两相物理参数54
• 4.3 液滴生成模型的建立与仿真分析54-58
• 4.3.1 建立几何模型54-55
• 4.3.2 选择求解器55
• 4.3.3 仿真液滴生成过程及分析55-58
• 4.4 液滴生成实验、仿真及影响因素58-61
• 4.4.1 两相流速对液滴的影响58-59
• 4.4.2 连续相及分散相黏度的影响59-61
• 4.4.3 表面活性剂对所生成液滴的影响61
• 4.5 液滴微流控技术的应用61-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第五章 总结与展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 附录A75-81
• 致谢81

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