微流控芯片是一種在微尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù),具有反應(yīng)迅速、通量高、過(guò)程可控、試劑消耗少等特點(diǎn),作為微流控系統(tǒng)的重要組成部分,微混合器在化學(xué)合成、生化分析、蛋白質(zhì)折疊、核酸測(cè)序或合成等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。目前,微混合器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)普遍存在低雷諾數(shù)下混合效果不足以及可靠性差等問(wèn)題,對(duì)此,本文提出一種雙層Y字形分裂重組(Splitting And Recombination,SAR)微混合器,該微混合器混合性能優(yōu)異、壓降損失低、樣機(jī)性能一致性及可靠性較好,利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法驗(yàn)證了其優(yōu)異混合性能,并利用銀納米粒子合成實(shí)驗(yàn)證實(shí)了實(shí)際應(yīng)用效果。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)對(duì)微混合器相關(guān)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了概述。首先,闡述微尺度下流體流動(dòng)的基本特性,進(jìn)而將有限元技術(shù)與微積分思想進(jìn)行了對(duì)比分析,宏觀把控了有限元分析內(nèi)容;然后,對(duì)微流體混合控制方程進(jìn)行了分析,并研究了微混合器混合原理,為后期分析微混合器性能打下基礎(chǔ);最后,根據(jù)對(duì)微混合器的性能要求—即壓降和混合度值,建立了相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。(2)提出了雙層Y字形SAR微混合器基本結(jié)構(gòu),并借助于COMSOL有限元分析軟件,全面優(yōu)化和分析了微混合器的結(jié)構(gòu)與性能。首先,提出了微混合器幾何模型,并利用前期建立的目標(biāo)函數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析,確定了微混合器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù);然后,繼續(xù)利用有限元軟件分析了雷諾數(shù)對(duì)微混合器混合性能的影響;最后,通過(guò)將其與國(guó)內(nèi)外經(jīng)典微混合器進(jìn)行性能上的對(duì)比分析,全面分析了雙層Y字形SAR微混合器的優(yōu)異混合性能。(3)利用本文設(shè)計(jì)的雙層Y字形SAR微混合器,制作了樣機(jī),對(duì)其進(jìn)行了微混合性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并利用銀納米粒子合成實(shí)驗(yàn)對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。首先,根據(jù)前面優(yōu)化的微混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)及特點(diǎn),合理地選擇了微混合器樣機(jī)材料及加工方法,并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作;然后,基于制得的微混合器樣機(jī),利用百里香酚酞和氫氧化鈉試劑,對(duì)微混合器基本混合性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),可視化表征了微混合器性能,并與前期仿真結(jié)果進(jìn)行了定性對(duì)比分析,證明了仿真結(jié)果的正確性以及微混合器性能的優(yōu)良性;最后,利用硝酸銀和無(wú)水葡萄糖等試劑,進(jìn)行了微混合器在化學(xué)合成領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)試劑濃度、保護(hù)劑使用以及微混合器入口流量等參數(shù)的調(diào)節(jié),成功制備出形貌、均一性及單分散性良好的銀納米粒子,驗(yàn)證了微混合器在化學(xué)合成領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN492
【部分圖文】：

利用銀納米粒子合成實(shí)驗(yàn)對(duì)其實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)分性較好的銀納米粒子。該微混合器能夠?qū)崿F(xiàn)低 R可靠性好、效率高，在化學(xué)合成和生化分析等領(lǐng)器概述技術(shù)簡(jiǎn)介認(rèn)為是反應(yīng)物接觸的必經(jīng)過(guò)程，微混合技術(shù)作為化學(xué)反應(yīng)和生化分析等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。根據(jù)主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類，其具體內(nèi)容可進(jìn)一步細(xì)2.2 和 1.2.3 中分別對(duì)主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微述。

但主動(dòng)式微混合器需有外加場(chǎng)能或要將驅(qū)動(dòng)部件集成在微混合系統(tǒng)中，因而存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、成本過(guò)高以及樣機(jī)整體性能不易穩(wěn)定等問(wèn)題。雖然主動(dòng)式微混合器存在一些不足，但其在特定場(chǎng)合或特定功能要求下依然具備廣闊的應(yīng)用，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究。1. 外加驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)依靠外加驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的微混合器較為常見(jiàn)，其主要以集成微泵、微閥為主，通過(guò)微泵、微閥的作用使得兩相流體混合，如集成壓電微泵或者氣動(dòng)閥在微混合系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)壓電微泵施加適當(dāng)電信號(hào)，使微泵對(duì)流體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)，或者通過(guò)對(duì)氣動(dòng)微閥施加壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)微流道中流體的驅(qū)動(dòng)。2014 年張建輝等人[42]提出了一種集混合與輸送于一體的多級(jí) Y 型流管無(wú)閥壓電泵，其結(jié)構(gòu)如圖 1.2（a）所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)將無(wú)閥壓電泵的進(jìn)出口設(shè)計(jì)成多組 Y 字形結(jié)構(gòu)，從而增加了無(wú)閥壓電泵的進(jìn)出口流阻差，因其多級(jí) Y 型結(jié)構(gòu)，也可應(yīng)用于微流體的混合。

圖 1.6 平面正弦型通道 SAR 微混合器17 年陳雪葉等人[51,52]分別提出了具有 E 字形和 F 形混合單元的平器，并對(duì)微混合器在Re=0.5-80范圍內(nèi)的混合性能進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)明了這兩種微混合器可實(shí)現(xiàn)兩相流體的分裂和重組，且 E 字形和處可以使流體在垂直于運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生渦旋效果，從而提升了微混合，同時(shí)也證明了提出的微混合器相比傳統(tǒng) T 型微混合器具有很大如圖 1.7（a）和（b）所示。（a） （b）圖 1.7 具有 E 字形和 F 形混合單元的平面 SAR 微混合器
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本文編號(hào)：2879710