【摘要】：數(shù)字流體(液滴)是微流分析系統(tǒng)中的重要操控對象,用于裝載或包封DNA分子、蛋白質、細胞、病毒、毒品、生物微粒等生化分析目標物,是生化技術中微反應器,即生化反應的場所。數(shù)字微流體(液滴)破裂不僅可以將尺寸較大液滴破裂為尺寸較小微液滴,而且可以實現(xiàn)液滴內溶液濃度控制,在DNA分析、蛋白質分析、細胞分析、毒品檢測及生物微粒富集、目標生物微粒分選等得到應用。壓電器件由于工藝成熟、簡單,微流操作能力強等特點,應用于微流分析系統(tǒng)中,并得到快速發(fā)展,因此,壓電基片上微流分析系統(tǒng)已經成為微流控學中重要分支,受到國內外學者的高度重視。壓電基片上液滴破裂是壓電微流分析系統(tǒng)中重要的基礎操作,但傳統(tǒng)的連續(xù)電信號作用于叉指換能器,激發(fā)強聲表面波使液滴飛逸實現(xiàn)微液滴破裂方法需要較大的電信號功率,限制了其在壓電微流分析系統(tǒng)中應用,有待改進。此外,微通道內液滴破裂后也存在子夜滴體積比不能靈活調節(jié)的問題。本文針對以上問題,提出了壓電基片上微通道內微液滴和開放平面壓電基片上液滴破裂方法,并設計了三種基于聲表面波微液滴破裂器件。所開展的工作和取得的成果主要體現(xiàn)在以下三個方面:1針對微流器件中微通道內微液滴破裂時子液滴體積比調節(jié)較為困難問題,提出了聲表面波結合微通道內PVC薄片分叉子通道,實現(xiàn)壓電基片上微通道內液滴破裂后子液滴的體積比靈活可調,即體積比可控破裂器。詳細設計了壓電器件上叉指換能器的參數(shù),并采用微電子工藝在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻叉指換能器,將模鑄法制作的微通道(PDMS)及PVC分叉的子通道貼合于壓電基片上,構建了壓電基片上微流體破裂器件。在叉指換能器上施加電信號,其激發(fā)的聲表面波調節(jié)待破裂微液滴在微通道寬度方向上位置,當液滴在油相流體攜帶下流過PVC薄片,將液滴破裂為兩個子液滴。為阻礙破裂后子液滴再度融合,在分叉通道一側設計阻流條,使得破裂后子液滴在兩子通道內流速不一致。以石蠟油為連續(xù)相,紅墨水溶液微液滴為離散相進行液滴破裂實驗,成功地實現(xiàn)了聲表面波作用下破裂后子液滴體積比為0.92和1.43。2為克服傳統(tǒng)的連續(xù)聲表面波破裂壓電基片上微液滴需要電信號功率較大的缺點,提出了瞬間降低電信號功率方法破裂壓電基片上微液滴,提出了微功耗破裂器件。在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻中心頻率為27.5 MHz叉指換能器,在叉指換能器上施加一定功率的電信號,壓電基片上微液滴在聲表面波作用下發(fā)生形變,瞬間降低該電信號功率,液滴下部由于重力和基片間表面張力作用保持原狀態(tài),液滴上部由于聲表面波流力的慣性作用逸出液滴而發(fā)生破裂。研究了液滴破裂的動力學特性;以紅墨水溶液微液滴為實驗對象,驗證了所提出液滴破裂方法的正確性,當電信號功率從12.3 dBm瞬間降低到-3.98 dBm,4 μl液滴可連續(xù)多次發(fā)生破裂。3復雜的生化分析系統(tǒng)往往需要質荷多基片間精確輸運,提出了壓電基片上球珠輔助實現(xiàn)液滴破裂方法,在垂向輸運高度精確可控同時實現(xiàn)液滴破裂。在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻叉指換能器,其上施加電信號,激發(fā)的聲表面波驅動液滴沿球珠表面輸運,到達球珠頂部后,在足夠的聲表面波流力下,頂部液滴發(fā)生破裂,實現(xiàn)基片空間垂向輸運。對液滴受力特性進行分析,并研究了液滴空間輸運的力學條件;推導了液滴球珠表面輸運的臨界體積。實驗驗證了5μl紅色墨水溶液微液滴在30.8 dBm的電信號作用下可以沿2 mm直徑的球珠表面輸運并成功破裂。另外,作為所提出的基于聲表面波液滴破裂方法的應用,將自行研制的聲表面波液滴破裂器件應用于不同性質微液滴物理混合及化學顯色反應。
【圖文】：

正十六環(huán)烷為連續(xù)相，水液滴為分散相，利用微通道尺寸特點無源地將體積較大逡逑的分散相水液滴破裂為體積相對較小的子液滴。微通道內液滴破裂結構示意圖如逡逑圖１－１所示。逡逑（ａ）］邋ＩｋｂＪ邋Ｈ＊邋ＩＮ邋ｆｒ＿ＩＮ：邋＃邋：逡逑１０＂ｉ邋；ｊ｜｜逡逑邐ＨＨ逡逑圖１－１邋Ｔ型結液滴無源破裂結構示意圖，（ａ）Ｔ型結液滴破裂示意圖，（ｂ）－（ｄ）不同通道長度逡逑比下微流體破裂逡逑Ｔ型結無源破裂方法微液滴能否破裂決定于微通道內連續(xù)相流體流速和離逡逑散相微液滴體積大小，達到一定臨界值后，，分散相液滴發(fā)生破裂。液滴破裂后在逡逑兩分支通道的子液滴體積與分支通道長度有關，因此，可以通過調節(jié)圖１－１中分逡逑支通道長度／，和／２，改變破裂后子液滴體積，在足夠大的離散相母液滴尺寸下，逡逑破裂后兩子液滴體積比正比于分支通道長度比／，／／２［１５］，但器件一經制作完成，破逡逑裂后子液滴的體積比不易調節(jié)。邐３逡逑Ｊｕｌｌｉｅｎ［ｌ６］在Ｄ．ＲNｉｎｋ工作基礎上，將分散相液滴通過Ｔ型結流動然后破裂逡逑歸納為典型的三種流動模式，即不破裂模式、帶間隙破裂模式和液滴始終阻塞流逡逑體破裂模式

Ｐ￡．，％分別為連續(xù)相和離散相容積流率、連續(xù)相流體密度、表面逡逑張力和微通道寬度。逡逑所研究的微流器件和所要破裂的液滴尺寸如圖１－２所示。逡逑ｎ逡逑ｗｎｉｕｍｒｉｎ邋ｍ邋ｎｉ？邋．邋．邐．邋．邋．ｔ逡逑Ｆｌｏｗ邋４ｆｆ？ｃｔｉ０ｉｉ邋＂邐■邐４００逡逑圖１－２邋Ｔ型結和所要破裂的液滴尺寸逡逑為詳細揭示微通道內離散相液滴破裂過程機理，將液滴破裂過程分為四個階逡逑段：擠壓、形變、交錯斷裂和線斷裂階段。實驗和理論分析各階段遵循的破裂規(guī)逡逑律和所受的力，結果如表ｉ－ｉ所示。逡逑表ｉ－ｉ中，《，．（，．＝１＞２３）代表不同階段變量，其值與連續(xù)相和離散相兩相流體粘逡逑性比、連續(xù)相毛細管數(shù)和無量綱液滴長度（（／％）有關。表ｉ－ｉ中所涉及的各逡逑４逡逑
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN65

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本文編號：2600569