本文關(guān)鍵詞：流動(dòng)聚焦液滴生成技術(shù)研究

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【摘要】：液滴微流體技術(shù)(Droplet Microfluidics)是近十年來在微流控平臺上發(fā)展起來的一種操縱微小體積液體的技術(shù),是關(guān)于軟物質(zhì)、生物化學(xué)以及微系統(tǒng)工程的交叉領(lǐng)域的研究。其應(yīng)用范圍涉及快速分析系統(tǒng)、先進(jìn)材料的合成、蛋白質(zhì)的結(jié)晶以及生物細(xì)胞的鑒定等方面�；谝旱蔚奈⒘骺叵到y(tǒng)已經(jīng)被證明能夠很好地與化學(xué)生物試劑相結(jié)合,能夠執(zhí)行各種數(shù)字微流體中的編程方法和配置。該技術(shù)具有時(shí)間尺度上的極大優(yōu)勢,能夠?qū)崿F(xiàn)液滴反應(yīng)器中的快速混合,以減少反應(yīng)時(shí)間,再加上能夠精確生成液滴以及對其進(jìn)行大量的重復(fù)操作,使得基于液滴的微流體系統(tǒng)成為生化研究和應(yīng)用中有效的高通量平臺。除了被用作微納米尺度的反應(yīng)器,基于液滴的微流體系統(tǒng)還被用于直接合成粒子,封裝生物實(shí)體以用于生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域。因此基于液滴的微流控系統(tǒng)對于當(dāng)今生物工程和材料工程具有重大的意義。流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)(Flow Focusing,FF)是目前使用的最廣泛的液滴形成結(jié)構(gòu),其基本原理是同向流動(dòng)的內(nèi)相液體與外相液體流經(jīng)收縮的喉部時(shí),外相液體剪斷內(nèi)相液體形成液滴。目前對于FF管道中液滴的生成及操控機(jī)理已經(jīng)有了大量的研究,但在某些參數(shù)上還存在著缺口,特別是幾何參數(shù),此外對于系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象也研究的比較少。因此,本文詳細(xì)地討論了該系統(tǒng)中涉及的參數(shù),分析了高低流速下不同的非線性現(xiàn)象,并開展了基于外磁場的液滴操控技術(shù)以及其他相關(guān)應(yīng)用,對液滴破碎的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了補(bǔ)充。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下：1.搭建了一種易實(shí)現(xiàn)的微流控芯片加工平臺,方便了微流體芯片的加工。在當(dāng)前微流控加工前期投入巨大,導(dǎo)致課題門檻較高的大背景下,本文通過大量的嘗試,采用相對便宜的準(zhǔn)直紫外燈取代了昂貴的光刻機(jī),大大的減少了制作成本。利用易實(shí)現(xiàn)的加工平臺,制作出了各種符合實(shí)驗(yàn)要求的微流控芯片。并對加工過程進(jìn)行了長期探索,采用一系列措施大大縮短了芯片的成型周期,節(jié)約了時(shí)間成本。該部分工作對于微流體技術(shù)的發(fā)展有著重要的作用。2.通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了流動(dòng)聚焦管道喉部尺寸、兩相流體性質(zhì)以及兩相流速對液滴形成模態(tài)的影響,分析了液滴斷裂的所有模態(tài),得到了其內(nèi)部壓力場、速度場和兩相界面的演化。固定分散相流速,當(dāng)連續(xù)相流速小于某個(gè)極限值時(shí),喉部長度的增長會導(dǎo)致液滴的直徑先變大后減小。當(dāng)連續(xù)相流速大于該極限值時(shí),液滴直徑隨著喉部長度的增長而單調(diào)減小。對于喉部寬度而言,液滴尺寸伴隨著喉部寬度的增加全程單調(diào)增加。當(dāng)兩相流體均屬于低黏度范疇時(shí),整個(gè)流動(dòng)過程由流率控制的液滴破碎機(jī)理主導(dǎo),液滴尺寸隨著分散相黏度的增大而增大�？偨Y(jié)了不同流速下,FF結(jié)構(gòu)中液滴破碎的絕大部分模態(tài),包括squeezing, dripping, jetting,satellite和threading。利用COMSOL兩相流水平集方法對FF管道中的液滴破碎過程進(jìn)行了模擬,得到了管道內(nèi)的壓力分布、速度分布,證明了3D管道中,由于其內(nèi)部兩相界面獨(dú)特的曲面形狀更容易產(chǎn)生不穩(wěn)定性,因此液滴的斷裂會比2D情況快一些,從而生成的液滴相對小一些。該部分工作為FF芯片的設(shè)計(jì)以及液滴尺寸的控制提供了參考。3.展示了流動(dòng)聚焦管道中的高階非線性現(xiàn)象,結(jié)合流體力學(xué)無量綱參數(shù)的分析,明確了非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理為其內(nèi)部慣性力。描述了低流速下的period 1-period 2-period 1轉(zhuǎn)變以及高流速下的period 1-period 2-period 4-chaos的變化。證明在低流速下,液滴尺寸的分叉在長喉部的情況下更容易發(fā)生,但其內(nèi)部的主導(dǎo)力為毛細(xì)應(yīng)力,得到慣性力和毛細(xì)應(yīng)力共同主導(dǎo)該分叉的結(jié)論。而高流速下,慣性力占據(jù)主導(dǎo)作用,引起了一系列的非線性過程。該部分工作對微管道的設(shè)計(jì)提供了更多的參數(shù)支持。4.開展了基于液滴微流控的相關(guān)應(yīng)用,包括磁性液滴的生成控制與分離、液滴的分裂、球狀棒狀微顆粒的制備。首先完成了微流體管道與磁場發(fā)生裝置的結(jié)合,在傳統(tǒng)流速控制的基礎(chǔ)上通過磁力進(jìn)一步控制鐵磁流體液滴尺寸。討論了磁力操縱過程中的兩個(gè)重要因素：磁黏效應(yīng)和磁拖曳效應(yīng)。在固定流速(連續(xù)相流速Q(mào)c=1mL/h,分散相流速Q(mào)d=0.2mL/h)的情況下,液滴平均直徑隨著磁場由0mT增加到60mT從135μm減小到95μm。此外,利用方波磁場在一個(gè)信號周期內(nèi)生成了兩種不同尺寸的液滴,利用外磁場對有磁性顆粒的吸引實(shí)現(xiàn)了磁性液滴與非磁性液滴的分離,利用基于流阻理論的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了液滴的分裂,最后根據(jù)液滴的單分散特性制備出了粒徑高度均一的粒子。該部分工作展示了液滴微流控技術(shù)廣泛的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O35

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本文編號：1289077