【摘要】：快速混合技術(shù)能夠促進(jìn)分子迅速接觸,從而促發(fā)生化反應(yīng)的進(jìn)行,被廣泛應(yīng)用于生物大分子折疊動力學(xué)、酶反應(yīng)動力學(xué)、聚合物合成、納米顆粒合成等研究領(lǐng)域內(nèi)。伴隨微流控芯片技術(shù)的發(fā)展,微混合器逐漸成為實(shí)現(xiàn)溶液快速混合的主要方法之一。通過微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或外部能量引入的方式,研究者們將混合死時(shí)間減少到了毫秒甚至微秒級水平。人們根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)不同類型的微混合器,使其成為了微全分析和化學(xué)合成領(lǐng)域中的重要工具。發(fā)展至今,微混合器在縮短混合時(shí)間和降低樣品消耗上取得了重大進(jìn)步。然而,微混合器依然存在高粘度溶液混合難度大,非連續(xù)流混合器中溶液污染,主動混合器加工復(fù)雜、操作復(fù)雜等諸多問題,限制了微混合器的應(yīng)用。因此,微流控芯片混合器需要呈現(xiàn)多元化發(fā)展,從而滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)的不同需求。本文針對高粘度溶液混合、非連續(xù)流混合和主動混合方式設(shè)計(jì)了三種快速微混合器。主要研究結(jié)果如下:首先,針對高粘度溶液混合,我們設(shè)計(jì)了一種三維結(jié)構(gòu)的微混合器。該混合器由三個(gè)重復(fù)單元構(gòu)成,每個(gè)單元包含一個(gè)較窄的“U”型通道和一個(gè)較寬并具備雙倍高度的混合腔室構(gòu)成。通過“U”型通道產(chǎn)生Dean流,促使溶液發(fā)生交叉流動;當(dāng)流體流入寬度和高度迅速擴(kuò)展的混合腔室后,由于壓強(qiáng)迅速變化而產(chǎn)生了三維漩渦流。計(jì)算流體力學(xué)模擬和熒光素混合實(shí)驗(yàn)證明,經(jīng)過122.4μs的混合死時(shí)間,水溶液與80%PEG200溶液(粘度為35.25 mPa?s)混合均勻。最后,我們通過標(biāo)記有FRET熒光探針的人類端粒DNA序列的復(fù)性實(shí)驗(yàn),觀測到了G四聚體在分子擁擠環(huán)境中的折疊動力學(xué)過程,并發(fā)現(xiàn)了其在150-550μs內(nèi)折疊動力學(xué)新過程,證實(shí)了5’端未成鍵序列對四聚體折疊速率的抑制效應(yīng)。其次,針對非連續(xù)流微混合器,我們設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的氣液兩相液栓微混合器。通過構(gòu)建氣路進(jìn)樣裝置、材料表面改性和芯片通道的合理設(shè)計(jì),我們在PDMS芯片內(nèi)設(shè)計(jì)了用于水溶液混合的液栓微混合器。注射泵將三路流體以3μL/min流速注入芯片通道內(nèi),通過減壓閥將恒定氣壓氮?dú)馔ㄈ胄酒瑑?nèi),在芯片內(nèi)“T”型結(jié)構(gòu)處形成穩(wěn)定液栓,其水溶液流經(jīng)蜿蜒通道后,于1.71 ms內(nèi)混合均勻,不存在彌散效應(yīng)。我們通過辣根過氧化物酶催化魯米諾化學(xué)發(fā)光的反應(yīng),檢測了其化學(xué)發(fā)光過程,證明了該氣液兩相液栓混合器能夠適用于含有復(fù)雜反應(yīng)物的生化反應(yīng)過程監(jiān)測和生化定量分析。最后,鑒于超聲微束流被動混合器中氣泡捕獲的難題,我們進(jìn)一步發(fā)展了氣液兩相液栓聲微束流混合器。通過前文構(gòu)建的氣液兩相液栓微混合器平臺,將超聲發(fā)生裝置與其整合。我們通過函數(shù)發(fā)生器輸出一定頻率與電壓的方波信號,利用壓電轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為聲波信號,使其沿芯片基底玻璃表面?zhèn)鞑�。我們在微通道�?nèi),發(fā)現(xiàn)了氣液通道交匯處氣液界面產(chǎn)生聲微束流這一新的方法。通過引入氣液兩相液栓流,不僅使其能夠連續(xù)存在穩(wěn)定氣液界面,而且液栓的擾動加速了流體混合,另外還消除了連續(xù)流彌散效應(yīng)。加入一定頻率的超聲后,兩股質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的丙三醇溶液能夠在98 ms內(nèi)混合均勻。隨后,我們分析了其通道內(nèi)溶液混合在一定頻率信號下最強(qiáng),混合強(qiáng)度伴隨輸出信號電壓強(qiáng)度增強(qiáng)而增強(qiáng)。綜上所述,本文設(shè)計(jì)出了三種不同的微流控混合器,解決了微混合器中面臨的部分難題,為微流控芯片在生化反應(yīng)與分析領(lǐng)域中提供新的技術(shù)。
【圖文】：

圖 1-1 連續(xù)流毛細(xì)管微混合器[8]。Figure 1-1 Schematic of the continues-flow capillary mixer[8].人們通過毛細(xì)管連接方式，加工微型化混合器。Roder 小組設(shè)計(jì)的

依據(jù)公式 1-5，溶液的混合時(shí)間縮短至約 10 μs。該混合器對溶液的消耗僅為每秒數(shù)十納升，如圖1-2A 所示。但是該混合器中間溶液與邊路溶液相互接觸后，經(jīng)過較長距離才能使得中間溶液寬度縮短至 50 nm，會導(dǎo)致內(nèi)外溶液混合起始時(shí)間不一致。因此，有效地縮短該混合距離，才能使得混合可以同步進(jìn)行，而且混合時(shí)間可以進(jìn)一步減小。其中最有效的辦法是減少中間溶液通道寬度，并提高流體流速，，使得混合時(shí)間縮短。Hertzog 等人[10]通過將中間溶液通道寬度加工至 1 μm，使得混合時(shí)間縮短至 8 μs，通道結(jié)構(gòu)如圖 1-2B 所示。另外，當(dāng)流體流速提高后，溶液會產(chǎn)生 Dean 湍流，從而使得中間溶液被兩側(cè)溶液夾斷[11]。Bakajin 與 Yao 進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)[12]，使得流體流速為5 m/s 時(shí)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN492

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本文編號：2531095