基于数字化液滴微喷射的微流控芯片制备技术及实验研究

发布时间：2017-09-27 03:49

  本文关键词：基于数字化液滴微喷射的微流控芯片制备技术及实验研究

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【摘要】：微流控芯片是现代分析科学的前沿技术,是微全分析系统(μ-TAS)的主要研究方向,将对生命科学、环境科学、医学和化学等领域带来革命性的影响。它在很小的芯片上集成通道、反应池、检测器等微元件,用以执行采样、稀释、加样、反应、分离、检测等单元操作功能,结合一定的外部设备实现快速、自动的“试样进、数据出”的生化分析。微流控芯片的制备通常采用光刻、蚀刻等工艺,需要昂贵的仪器设备和洁净实验室以及娴熟的制作技能,不便在普通化学和生化实验室中推广。微流控芯片的加工技术难以满足当前微流控学快速发展的需要,例如玻璃微流控芯片封接难度大,集成度低；用于复制聚合物芯片的阳模加工工艺复杂,高深宽比和三维微阳模的制作方法尚稀见报道,纸质微流控芯片制作工艺复杂等。本文以微流控芯片的制备技术为目标,系统地研究基于数字化液滴微喷射技术的纸质微流控芯片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的制备,并对所制备的微流控芯片应用展开研究。对脉冲惯性力主导下的微流边界层流固摩擦耦合驱动微喷嘴内流体进行了理论分析,通过求解黏性连续介质流体的运动微分方程组,得出了在微流体脉冲驱动-控制下,系统参量对一维变径玻璃微喷嘴内的流体运动速度的影响规律。基于理论分析结果,采用Ansys 13.0中fluent模块对微液滴喷射主液滴及卫星液滴形成过程进行了数值模拟,以显微频闪拍摄系统观测了数字化液滴微喷射过程。根据数字化液滴微喷射对微流体器件结构要求,研究了基于热变形的玻璃微喷嘴制备工艺,分别研制了拉锻集成式0.5mm-2.0mm外径玻璃微喷嘴制备仪和4.0mm-7.5mm外径玻璃微喷嘴制备仪,考察了加热时间、加热电压等基本参数对拉制、锻制工艺性能的影响,并制作了针柄外径为1.0mm、1.6mm和6.5mm的玻璃微喷嘴。拉锻集成式玻璃微喷嘴制备仪集成了拉制、锻制工艺,制作的外径6.5mm玻璃微喷嘴增大了储液管容量,有利于高粘度液滴微喷射,为数字化液滴微喷射提供了器件基础。研究了系统参量对数字化微喷射稳定性和微喷射液滴体积的影响。结果表明,需合理控制微喷射距离、驱动电压、驱动频率、微喷嘴内液体填充量等微喷射参数以实现稳定微喷射,通过合理控制驱动参数,可以实现微液滴体积控制。为确定合适的驱动条件以控制微液滴形态、大小,抑制卫星滴生成、提高喷射的稳定性及一致性提供了实验依据。理论分析了微液滴与基板碰撞过程,得出了微液滴在水平基板上碰撞后最大铺展直径的主要影响因素。以Ansys13.0的fluent模块数值模拟了100μm直径微液滴与基板碰撞过程及碰撞速度、液体表面张力系数对碰撞过程的影响。分析了微液线的数字化微喷射成型过程,提出液滴重叠系数概念,为滤纸上或玻璃基板上沉积石蜡线条提供了理论依据。基于数字化液滴微喷射技术,分别提出了一种新型的纸质微流体器件和PDMS微流体器件制作方法。以压电作动器,以外径为6.5mm的硼硅酸盐玻璃微喷嘴,分别将石蜡液滴按微流控图形微喷射至滤纸和石英玻璃基板,之后滤纸上的石蜡图形经过加热工艺形成纸质微流控芯片,石英玻璃基板上的石蜡阳模经过PDMS倒模、键合等工艺制作成为PDMS微流控芯片。以制备的“十字型”纸质微流控芯片实现了葡萄糖、蛋白质、PH测定的多重分析,以阵列式纸质微流体器件实现了蛋白浓度分析、葡萄糖浓度分析、PH分析,同时以制备的“Y型”和方形纸质微反应器实现了NaOH与酚酞的微化学反应。以制备的PDMS微流控芯片实现了亮蓝溶液和柠檬黄溶液的微混合。结果表明,制备的微流控芯片能够应用于各种生化分析实验。石蜡材料成本低、来源广,玻璃微喷嘴具有制作过程简单、成本低、化学惰性好、表面光滑等优点。基于数字化液滴微喷射技术制作纸质微流体器件,直接成型,不需要制备掩模,纸质微流控芯片制作过程为非接触式,避免了交叉污染。基于数字化液滴微喷射技术制作用于PDMS微流控芯片制备的石蜡阳模,可实现高深宽比阳模制作,模具直接成型。提供了一种低成本、简单、快捷的纸质和PDMS微流控芯片制备方法。
【关键词】：微流体脉冲驱动-控制 微流控芯片 液滴微喷射 微喷嘴 纸质微流体器件 PDMS微流体器件
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 绪论18-39
• 1.1 微流控芯片特点19
• 1.2 微流控芯片的材料19-21
• 1.3 微流控芯片的制备技术研究现状21-31
• 1.3.1 纸质微流控芯片制备技术研究现状21-27
• 1.3.2 PDMS微流控芯片制备技术研究现状27-31
• 1.4 基于液滴微喷射的微流控芯片制作技术31-34
• 1.4.1 液体微喷射技术31-33
• 1.4.2 液体微喷射技术的发展及在微流控芯片制作中的应用研究33-34
• 1.5 选题的意义和研究内容34-37
• 1.5.1 论文选题意义及来源34-35
• 1.5.2 论文结构与研究内容35-37
• 1.6 论文专用术语及符号对照表37-39
• 2 数字化液滴微喷射驱动机理及微喷射仿真分析39-60
• 2.1 脉冲驱动-控制技术基本特征39
• 2.2 脉冲驱动-控制器特性及微传输管固壁的速度分析39-50
• 2.2.1 脉冲驱动-控制作动器选型及特性39-41
• 2.2.2 边界层微流动理论41-43
• 2.2.3 粘性微流动微分方程43-44
• 2.2.4 圆形微管道内微流动微分方程44-45
• 2.2.5 脉冲驱动-控制的一维变径微喷嘴内微流体流动速度分析45-50
• 2.3 微喷射过程数值模拟50-57
• 2.3.1 流体体积法50-51
• 2.3.2 Fluent数值模拟方法51-53
• 2.3.3 数值模拟结果53-57
• 2.4 微喷射过程观测实验57-58
• 2.4.1 主液滴微喷射过程及液滴运动57-58
• 2.4.2 卫星液滴58
• 2.5 本章小结58-60
• 3 数字化液滴微喷射用玻璃微喷嘴制作及实验研究60-73
• 3.1 微喷嘴材料选择60-61
• 3.2 微喷嘴制备原理61-63
• 3.2.1 微喷嘴拉制、锻制工艺原理61-62
• 3.2.2 微喷嘴结构62-63
• 3.3 针柄外径0.5mm-2mm玻璃微喷嘴制备63-69
• 3.3.1 拉锻集成式外径0.5mm-2.0mm玻璃微喷嘴制备仪原理及原型机64-65
• 3.3.2 拉制工艺参数对微喷嘴影响65-67
• 3.3.3 锻制工艺参数对微喷嘴的影响67-69
• 3.4 针柄外径为4.0-7.5mm的玻璃微喷嘴制备69-72
• 3.4.1 外径4.0mm-7.5mm玻璃微喷嘴制备仪原理及原型机69-71
• 3.4.2 系统参量对针柄外径4-7mm微喷嘴拉制的影响71-72
• 3.5 本章小结72-73
• 4 数字化液滴微喷射基础实验及液滴沉积成型过程分析73-91
• 4.1 数字化液滴微喷射基础实验系统构建73-74
• 4.2 系统参量对数字化微喷射稳定性的影响74-78
• 4.2.1 系统参量对卫星液滴现象的影响74-75
• 4.2.2 系统参量对喷嘴内产生气泡现象的影响75-76
• 4.2.3 系统参量对渗液现象的影响76
• 4.2.4 液体数字化微喷射均一性实验76-78
• 4.3 系统参量对液体数字化微喷射量的影响78-82
• 4.3.1 液体粘度对液体微喷射量的影响78-80
• 4.3.2 微喷嘴出口内径对微喷射量的影响80-81
• 4.3.3 驱动频率对微喷射量的影响81-82
• 4.3.4 驱动电压对微喷射体积的影响82
• 4.4 液滴沉积成型过程分析82-89
• 4.4.1 接触角介绍82-83
• 4.4.2 喷射液滴与成形面的碰撞83-84
• 4.4.3 微液滴成型机理分析84-86
• 4.4.4 微液滴成型过程数值模拟86-89
• 4.4.5 微喷射液滴的融合89
• 4.5 本章小结89-91
• 5 基于数字化石蜡液滴微喷射的纸质微流体器件制作及应用研究91-108
• 5.1 基于数字化石蜡液滴微喷射的纸质微流体器件制作系统及原理91-93
• 5.2 数字化石蜡液滴微喷射实验93-95
• 5.2.1 液柱高度对石蜡液滴稳定微喷射影响93
• 5.2.2 微喷嘴内径及驱动电压对石蜡液滴尺寸影响93-95
• 5.3 基于石蜡液滴微喷射的纸质微流体器件制作实验95-100
• 5.3.1 基于石蜡液滴微喷射的纸质微流体器件测试95
• 5.3.2 系统参量对纸基上疏水石蜡线条影响实验95-99
• 5.3.3 纸质微流体器件制作及测试99-100
• 5.4 基于石蜡液滴微喷射的纸质微流体器件应用100-106
• 5.4.1 基于纸质微流体器件的葡萄糖浓度分析101-103
• 5.4.2 基于纸质微流体器件的牛血清白蛋白(BSA)浓度分析103
• 5.4.3 基于纸质微流体器件的PH值分析103-105
• 5.4.4 基于“十字型”纸质微流体器件的多重反应分析105
• 5.4.5 基于纸质微流体器件的微反应应用105-106
• 5.5 本章小结106-108
• 6 基于数字化石蜡液滴微喷射的PDMS微流体器件制作及应用研究108-120
• 6.1 基于数字化液滴微喷射的石蜡阳模制作系统108-109
• 6.2 基于石蜡阳模的PDMS微流控芯片制作过程109-111
• 6.3 基于石蜡液滴微喷射的PDMS微流控芯片制作实验111-118
• 6.3.1 液柱高度对数字化石蜡稳定微喷射的影响111
• 6.3.2 系统参量对石蜡液滴尺寸的影响111-113
• 6.3.3 系统参量对石蜡阳模影响113-116
• 6.3.4 基于石蜡阳模的PDMS倒模实验116-117
• 6.3.5 微混合微流控芯片用石蜡阳模制作及PDMS倒模实验117-118
• 6.4 基于石蜡液滴微喷射的PDMS微流控芯片应用实验118-119
• 6.5 本章小结119-120
• 7 总结与展望120-123
• 7.1 论文工作总结120-121
• 7.2 创新点归纳121-122
• 7.3 研究展望122-123
• 致谢123-124
• 参考文献124-136
• 附录136-138

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 金亚,罗国安,汤扬华,周兆英;集成毛细管电泳芯片系统的制作、测试及应用[J];分析科学学报;2001年02期

2 殷学锋,方群,凌云扬;微流控分析芯片的加工技术[J];现代科学仪器;2001年04期

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本文编号：927465