本文關(guān)鍵詞：數(shù)字微流控芯片開發(fā)與應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：液滴微流控又稱數(shù)字微流控,該技術(shù)具有樣品消耗量少、反應(yīng)快、傳質(zhì)傳熱效果好、無交叉污染等優(yōu)點(diǎn),是微流控技術(shù)的研究熱點(diǎn)。其應(yīng)用范圍涵蓋分析測(cè)試、生物工程、醫(yī)學(xué)分析、有機(jī)合成等尖端科技領(lǐng)域。微液滴生成裝置作為該技術(shù)的基礎(chǔ),是產(chǎn)生大量穩(wěn)定、均一微液滴的關(guān)鍵,而市場(chǎng)上現(xiàn)有的該種裝置價(jià)格昂貴,因此開展對(duì)該技術(shù)的相關(guān)研究并開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微液滴生成裝置具有重要意義。首先,綜述了微流控芯片及液滴形成與操縱的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài),在此基礎(chǔ)上確立了以開發(fā)微流控芯片及配套裝置為研究目標(biāo)。闡述了微液滴的生成原理及其相關(guān)理論,包括液滴動(dòng)力學(xué)的無量綱參數(shù)、潤濕現(xiàn)象及接觸角、液滴流阻的計(jì)算、Marangoni效應(yīng)、液滴的界面動(dòng)力學(xué)等。分析了主動(dòng)法及被動(dòng)法兩種生成微液滴方法的異同,由于被動(dòng)法用于微液滴的高通量制備,因此本文選用被動(dòng)法。在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并加工了常規(guī)十字型、蛇型及二次分裂十字型通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片。此外,為保證實(shí)驗(yàn)過程中的氣密性良好,對(duì)現(xiàn)有夾具進(jìn)行了改進(jìn),通過在上蓋加工用于插細(xì)管的孔并在底座加工用于觀測(cè)的通槽使其與實(shí)驗(yàn)所用芯片相匹配。其次,開發(fā)出一套微液滴生成裝置并實(shí)現(xiàn)了兩種控制方案,分別為基于PC和基于單片機(jī)的控制方案。方案一硬件部分包括柱塞泵、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光耦隔離保護(hù)電路、串口、并口、電源、計(jì)算機(jī)、微流控芯片。軟件部分用VB.NET編寫,包括串口通訊程序及并口控制程序;方案二以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心,在上述基礎(chǔ)上脫離了串、并口的控制成為一套獨(dú)立的便攜式裝置。最后,利用所設(shè)計(jì)的芯片、夾具、研發(fā)的裝置以及改進(jìn)的倒置顯微鏡搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并通過調(diào)節(jié)流速成功制備出不同體積的微液滴。用COMSOL軟件對(duì)微液滴生成過程及兩相流速、黏度等因素的影響進(jìn)行了仿真,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。此外,還探討了微液滴在單細(xì)胞包裹、蛋白質(zhì)結(jié)晶、微粒合成、藥物運(yùn)輸、生物PCR技術(shù)以及疾病檢測(cè)等方面的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：微流控 數(shù)字微流控芯片 微液滴 通道結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O35
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-13
• 1.1 課題的研究意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.1 微流控芯片的研究現(xiàn)狀10
• 1.2.2 微液滴的形成及操縱的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容11
• 1.4 研究路線11-13
• 第二章 微液滴生成及運(yùn)動(dòng)的理論研究13-33
• 2.1 水平油水兩相流流型及影響因素13-15
• 2.1.1 兩相流流型13-14
• 2.1.2 流型的影響因素:14-15
• 2.2 微通道中兩相流液滴動(dòng)力學(xué)基本原理15-23
• 2.2.1 液滴動(dòng)力學(xué)的無量綱參數(shù)15-17
• 2.2.2 潤濕現(xiàn)象及接觸角17-19
• 2.2.3 液滴流阻的計(jì)算19-20
• 2.2.4 Marangoni效應(yīng)20-21
• 2.2.5 無限流場(chǎng)中液滴的界面動(dòng)力學(xué)21-23
• 2.2.6 微通道中液滴的界面動(dòng)力學(xué)23
• 2.3 微液滴的生成過程及影響因素23-25
• 2.3.1 對(duì)流微通道中液滴的生成及影響因素23-25
• 2.3.2 垂直微通道中液滴的生成25
• 2.4 微液滴的生成方法25-31
• 2.4.1 主動(dòng)法25-27
• 2.4.2 被動(dòng)法27-31
• 2.5 本章小結(jié)31-33
• 第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)及構(gòu)成33-51
• 3.1 微流控芯片設(shè)計(jì)與加工33-37
• 3.1.1 微流控芯片的設(shè)計(jì)33-34
• 3.1.2 微流控芯片的加工34-37
• 3.2 基于PC的控制方案37-43
• 3.2.1 裝置的硬件組成37-41
• 3.2.2 上位機(jī)程序41-43
• 3.3 基于單片機(jī)的控制方案43-48
• 3.3.1 硬件設(shè)計(jì)43-46
• 3.3.2 軟件設(shè)計(jì)46-48
• 3.4 實(shí)驗(yàn)夾具的開發(fā)48-49
• 3.5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成49-50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 第四章 液滴生成仿真與實(shí)驗(yàn)研究51-69
• 4.1 COMSOL軟件概述51
• 4.2 仿真方法及條件設(shè)置51-54
• 4.2.1 水平集方法理論概述51-52
• 4.2.2 確定控制方程52-53
• 4.2.3 設(shè)定邊界條件53-54
• 4.2.4 設(shè)置兩相物理參數(shù)54
• 4.3 液滴生成模型的建立與仿真分析54-58
• 4.3.1 建立幾何模型54-55
• 4.3.2 選擇求解器55
• 4.3.3 仿真液滴生成過程及分析55-58
• 4.4 液滴生成實(shí)驗(yàn)、仿真及影響因素58-61
• 4.4.1 兩相流速對(duì)液滴的影響58-59
• 4.4.2 連續(xù)相及分散相黏度的影響59-61
• 4.4.3 表面活性劑對(duì)所生成液滴的影響61
• 4.5 液滴微流控技術(shù)的應(yīng)用61-68
• 4.6 本章小結(jié)68-69
• 第五章 總結(jié)與展望69-71
• 5.1 總結(jié)69-70
• 5.2 展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-75
• 附錄A75-81
• 致謝81

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本文編號(hào)：308107