發(fā)布時間：2018-10-30 17:17

【摘要】：隨著微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展,儀器設(shè)備微型化和高度集成化已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)備發(fā)展的主流趨勢之一。微流控芯片就是將混合、分離、稀釋、檢測等功能集成在一塊微小芯片上,正被廣泛的應(yīng)用于生物化學(xué)分析以及醫(yī)藥和生命科學(xué)等領(lǐng)域。液滴式微流控芯片是近年來微流控領(lǐng)域內(nèi)一個新的分支。每一個液滴均可被視為獨立的反應(yīng)器,和傳統(tǒng)生物化學(xué)反應(yīng)器相比,液滴式微流控芯片具有樣品消耗低、反應(yīng)快、無交叉污染等優(yōu)點,可以被廣泛應(yīng)用到化學(xué)合成、納米材料制備、細(xì)胞分析、藥物篩選等諸多領(lǐng)域。其中液滴的形成和內(nèi)部混合的控制是實現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵,但其相關(guān)系統(tǒng)研究卻不深入。因此本文以此為切入點,針對液滴的形成及內(nèi)部混合性能展開研究。本文采用可視化實驗的方法針對微通道內(nèi)液滴的生成及其內(nèi)部混合的強化開展研究。首先在200*200μm的T型微通道內(nèi)通過連續(xù)相二甲基硅油剪切分散相去離子水生成微液滴,研究了連續(xù)相流速、分散相流速以及連續(xù)相粘度對微液滴生成尺寸的影響;并提出了一種利用光熱效應(yīng)致相變的方法在大尺度T型微通道內(nèi)生成超微液滴的新方法;其次,研究了螺旋型微通道對液滴內(nèi)部混合的強化作用,并進行了量化分析;最后,利用PIV技術(shù)測量了微液滴受到側(cè)向剪切時其內(nèi)部流動狀況的變化并分析了這一變化對液滴內(nèi)部混合性能的影響。通過對以上內(nèi)容的研究,本文得出了以下結(jié)論:①在T型微通道內(nèi)液滴的生成尺寸隨連續(xù)相流速的上升而減小;隨分散相流速的上升而增大;隨連續(xù)相粘度的增大而減小。同時提出了利用激光的光熱效應(yīng)致T型結(jié)構(gòu)中水相相變蒸發(fā)冷凝形成超微液滴。在工作過程中,液態(tài)水通過激光加熱生成水蒸汽,水蒸汽被連續(xù)相剪切生成汽塞,汽塞冷凝后可以形成超微液滴。由于液滴是通過冷凝形成,汽塞的大小直接決定了液滴的大小,研究發(fā)現(xiàn)汽塞大小隨激光功率上升而變大,隨連續(xù)相流速增大而減小。②通過研究直微通道和螺旋形微通道中液滴的混合性能,發(fā)現(xiàn)具有T型結(jié)構(gòu)入口的直微通道內(nèi)液滴生成時的混合效率隨連續(xù)相的增大而得到強化,隨分散相流速的增大而減弱。螺旋形微通道也具有相同的變化趨勢。更重要的是,研究發(fā)現(xiàn)無論在單位時間內(nèi)還是在單位長度上,相對于直微通道,螺旋型微通道內(nèi)由于螺旋結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的二次流使得液滴的混合效率得到提高。③利用流體側(cè)向剪切微液滴時,液滴受到剪切力的作用,其內(nèi)部流場向剪切方向偏轉(zhuǎn),同時可以提升液滴內(nèi)的流速,從而可以強化液滴內(nèi)的混合。其強度隨流體流速的增強而變大,隨分散相的流速的增大也增強。
[Abstract]:With the rapid development of MEMS, the miniaturization and high integration of instrument and equipment have become one of the mainstream trends in the development of modern equipment. The microfluidic chip integrates the functions of mixing, separating, diluting and detecting on a microchip, which is widely used in biochemistry analysis, medicine and life science and so on. Droplet microfluidic chip is a new branch in the field of microfluidic in recent years. Each droplet can be regarded as an independent reactor. Compared with the traditional biochemical reactor, the droplet microfluidic chip has the advantages of low sample consumption, fast reaction and no cross contamination, so it can be widely used in chemical synthesis. Preparation of nanomaterials, cell analysis, drug screening and many other fields. The formation of droplets and the control of internal mixing are the key to achieve the above functions, but the related system research is not thorough. In this paper, the formation of droplets and their internal mixing properties are studied. In this paper, the method of visualization experiment is used to study the formation of droplets in microchannels and the enhancement of their internal mixing. At first, microdroplets were formed in 200 渭 m T microchannels by continuous phase dimethyl silicone oil shearing dispersed phase deionized water. The effects of continuous phase flow rate, dispersed phase flow rate and continuous phase viscosity on the formation size of microdroplets were studied. A new method for the formation of ultrafine droplets in large scale T microchannels by photothermal effect is proposed. Secondly, the enhancement effect of spiral microchannels on the internal mixing of droplets is studied, and the quantitative analysis is carried out. Finally, the change of the internal flow state of microdroplets under lateral shear was measured by PIV technique and the influence of this change on the internal mixing performance of droplets was analyzed. Based on the above research, the following conclusions are drawn: 1 the size of droplet formation decreases with the increase of the flow rate of the continuous phase, increases with the increase of the velocity of the dispersed phase, and decreases with the increase of the viscosity of the continuous phase in the T-shaped microchannel. At the same time, the superfine droplets were formed by evaporating and condensing water phase change in T type structure by the photothermal effect of laser. During the working process, liquid water is heated by laser to form steam, which is shearing by continuous phase to form steam plug, which can form ultramicro droplets after condensing. Since the droplet is formed by condensation, the size of the steam plug directly determines the size of the droplet. It is found that the size of the steam plug increases with the increase of laser power. By studying the mixing performance of droplets in straight microchannels and spiral microchannels, it is found that the mixing efficiency of droplets in the straight microchannels with T-shaped structure increases with the increase of the continuous phase. With the increase of the velocity of the dispersed phase, it weakens. The spiral microchannels have the same trend. More importantly, the study found that both in unit time and in unit length, relative to straight microchannels, The secondary flow caused by helical structure in the spiral microchannel improves the mixing efficiency of the droplets. 3 when the droplets are shearing laterally, the droplets are subjected to shear force, and the internal flow field deflects to the shear direction. At the same time, the flow rate in the droplet can be increased, thus the mixing in the droplet can be enhanced. The strength increases with the increase of the flow velocity of the fluid and the velocity of the dispersed phase.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN492

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本文編號：2300653