微流控芯片快速混合器及其应用研究

发布时间：2019-09-02 18:25

【摘要】：快速混合技术能够促进分子迅速接触,从而促发生化反应的进行,被广泛应用于生物大分子折叠动力学、酶反应动力学、聚合物合成、纳米颗粒合成等研究领域内。伴随微流控芯片技术的发展,微混合器逐渐成为实现溶液快速混合的主要方法之一。通过微通道结构设计或外部能量引入的方式,研究者们将混合死时间减少到了毫秒甚至微秒级水平。人们根据不同需求设计不同类型的微混合器,使其成为了微全分析和化学合成领域中的重要工具。发展至今,微混合器在缩短混合时间和降低样品消耗上取得了重大进步。然而,微混合器依然存在高粘度溶液混合难度大,非连续流混合器中溶液污染,主动混合器加工复杂、操作复杂等诸多问题,限制了微混合器的应用。因此,微流控芯片混合器需要呈现多元化发展,从而满足科学实验的不同需求。本文针对高粘度溶液混合、非连续流混合和主动混合方式设计了三种快速微混合器。主要研究结果如下:首先,针对高粘度溶液混合,我们设计了一种三维结构的微混合器。该混合器由三个重复单元构成,每个单元包含一个较窄的“U”型通道和一个较宽并具备双倍高度的混合腔室构成。通过“U”型通道产生Dean流,促使溶液发生交叉流动;当流体流入宽度和高度迅速扩展的混合腔室后,由于压强迅速变化而产生了三维漩涡流。计算流体力学模拟和荧光素混合实验证明,经过122.4μs的混合死时间,水溶液与80%PEG200溶液(粘度为35.25 mPa?s)混合均匀。最后,我们通过标记有FRET荧光探针的人类端粒DNA序列的复性实验,观测到了G四聚体在分子拥挤环境中的折叠动力学过程,并发现了其在150-550μs内折叠动力学新过程,证实了5’端未成键序列对四聚体折叠速率的抑制效应。其次,针对非连续流微混合器,我们设计了稳定的气液两相液栓微混合器。通过构建气路进样装置、材料表面改性和芯片通道的合理设计,我们在PDMS芯片内设计了用于水溶液混合的液栓微混合器。注射泵将三路流体以3μL/min流速注入芯片通道内,通过减压阀将恒定气压氮气通入芯片内,在芯片内“T”型结构处形成稳定液栓,其水溶液流经蜿蜒通道后,于1.71 ms内混合均匀,不存在弥散效应。我们通过辣根过氧化物酶催化鲁米诺化学发光的反应,检测了其化学发光过程,证明了该气液两相液栓混合器能够适用于含有复杂反应物的生化反应过程监测和生化定量分析。最后,鉴于超声微束流被动混合器中气泡捕获的难题,我们进一步发展了气液两相液栓声微束流混合器。通过前文构建的气液两相液栓微混合器平台,将超声发生装置与其整合。我们通过函数发生器输出一定频率与电压的方波信号,利用压电转换器将其转换为声波信号,使其沿芯片基底玻璃表面传播。我们在微通道内,发现了气液通道交汇处气液界面产生声微束流这一新的方法。通过引入气液两相液栓流,不仅使其能够连续存在稳定气液界面,而且液栓的扰动加速了流体混合,另外还消除了连续流弥散效应。加入一定频率的超声后,两股质量分数为90%的丙三醇溶液能够在98 ms内混合均匀。随后,我们分析了其通道内溶液混合在一定频率信号下最强,混合强度伴随输出信号电压强度增强而增强。综上所述,本文设计出了三种不同的微流控混合器,解决了微混合器中面临的部分难题,为微流控芯片在生化反应与分析领域中提供新的技术。
【图文】：

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图 1-1 连续流毛细管微混合器[8]。Figure 1-1 Schematic of the continues-flow capillary mixer[8].人们通过毛细管连接方式，加工微型化混合器。Roder 小组设计的

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依据公式 1-5，溶液的混合时间缩短至约 10 μs。该混合器对溶液的消耗仅为每秒数十纳升，如图1-2A 所示。但是该混合器中间溶液与边路溶液相互接触后，经过较长距离才能使得中间溶液宽度缩短至 50 nm，会导致内外溶液混合起始时间不一致。因此，有效地缩短该混合距离，才能使得混合可以同步进行，而且混合时间可以进一步减小。其中最有效的办法是减少中间溶液通道宽度，并提高流体流速，，使得混合时间缩短。Hertzog 等人[10]通过将中间溶液通道宽度加工至 1 μm，使得混合时间缩短至 8 μs，通道结构如图 1-2B 所示。另外，当流体流速提高后，溶液会产生 Dean 湍流，从而使得中间溶液被两侧溶液夹断[11]。Bakajin 与 Yao 进一步优化结构[12]，使得流体流速为5 m/s 时
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492

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