本文關(guān)鍵詞：基于數(shù)字化液滴微噴射的微流控芯片制備技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制 微流控芯片 液滴微噴射 微噴嘴 紙質(zhì)微流體器件 PDMS微流體器件

【摘要】：微流控芯片是現(xiàn)代分析科學(xué)的前沿技術(shù),是微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)的主要研究方向,將對(duì)生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的影響。它在很小的芯片上集成通道、反應(yīng)池、檢測(cè)器等微元件,用以執(zhí)行采樣、稀釋、加樣、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等單元操作功能,結(jié)合一定的外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)的“試樣進(jìn)、數(shù)據(jù)出”的生化分析。微流控芯片的制備通常采用光刻、蝕刻等工藝,需要昂貴的儀器設(shè)備和潔凈實(shí)驗(yàn)室以及嫻熟的制作技能,不便在普通化學(xué)和生化實(shí)驗(yàn)室中推廣。微流控芯片的加工技術(shù)難以滿(mǎn)足當(dāng)前微流控學(xué)快速發(fā)展的需要,例如玻璃微流控芯片封接難度大,集成度低；用于復(fù)制聚合物芯片的陽(yáng)模加工工藝復(fù)雜,高深寬比和三維微陽(yáng)模的制作方法尚稀見(jiàn)報(bào)道,紙質(zhì)微流控芯片制作工藝復(fù)雜等。本文以微流控芯片的制備技術(shù)為目標(biāo),系統(tǒng)地研究基于數(shù)字化液滴微噴射技術(shù)的紙質(zhì)微流控芯片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的制備,并對(duì)所制備的微流控芯片應(yīng)用展開(kāi)研究。對(duì)脈沖慣性力主導(dǎo)下的微流邊界層流固摩擦耦合驅(qū)動(dòng)微噴嘴內(nèi)流體進(jìn)行了理論分析,通過(guò)求解黏性連續(xù)介質(zhì)流體的運(yùn)動(dòng)微分方程組,得出了在微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制下,系統(tǒng)參量對(duì)一維變徑玻璃微噴嘴內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)速度的影響規(guī)律�；诶碚摲治鼋Y(jié)果,采用Ansys 13.0中fluent模塊對(duì)微液滴噴射主液滴及衛(wèi)星液滴形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,以顯微頻閃拍攝系統(tǒng)觀測(cè)了數(shù)字化液滴微噴射過(guò)程。根據(jù)數(shù)字化液滴微噴射對(duì)微流體器件結(jié)構(gòu)要求,研究了基于熱變形的玻璃微噴嘴制備工藝,分別研制了拉鍛集成式0.5mm-2.0mm外徑玻璃微噴嘴制備儀和4.0mm-7.5mm外徑玻璃微噴嘴制備儀,考察了加熱時(shí)間、加熱電壓等基本參數(shù)對(duì)拉制、鍛制工藝性能的影響,并制作了針柄外徑為1.0mm、1.6mm和6.5mm的玻璃微噴嘴。拉鍛集成式玻璃微噴嘴制備儀集成了拉制、鍛制工藝,制作的外徑6.5mm玻璃微噴嘴增大了儲(chǔ)液管容量,有利于高粘度液滴微噴射,為數(shù)字化液滴微噴射提供了器件基礎(chǔ)。研究了系統(tǒng)參量對(duì)數(shù)字化微噴射穩(wěn)定性和微噴射液滴體積的影響。結(jié)果表明,需合理控制微噴射距離、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、微噴嘴內(nèi)液體填充量等微噴射參數(shù)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定微噴射,通過(guò)合理控制驅(qū)動(dòng)參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)微液滴體積控制。為確定合適的驅(qū)動(dòng)條件以控制微液滴形態(tài)、大小,抑制衛(wèi)星滴生成、提高噴射的穩(wěn)定性及一致性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。理論分析了微液滴與基板碰撞過(guò)程,得出了微液滴在水平基板上碰撞后最大鋪展直徑的主要影響因素。以Ansys13.0的fluent模塊數(shù)值模擬了100μm直徑微液滴與基板碰撞過(guò)程及碰撞速度、液體表面張力系數(shù)對(duì)碰撞過(guò)程的影響。分析了微液線(xiàn)的數(shù)字化微噴射成型過(guò)程,提出液滴重疊系數(shù)概念,為濾紙上或玻璃基板上沉積石蠟線(xiàn)條提供了理論依據(jù)�；跀�(shù)字化液滴微噴射技術(shù),分別提出了一種新型的紙質(zhì)微流體器件和PDMS微流體器件制作方法。以壓電作動(dòng)器,以外徑為6.5mm的硼硅酸鹽玻璃微噴嘴,分別將石蠟液滴按微流控圖形微噴射至濾紙和石英玻璃基板,之后濾紙上的石蠟圖形經(jīng)過(guò)加熱工藝形成紙質(zhì)微流控芯片,石英玻璃基板上的石蠟陽(yáng)模經(jīng)過(guò)PDMS倒模、鍵合等工藝制作成為PDMS微流控芯片。以制備的“十字型”紙質(zhì)微流控芯片實(shí)現(xiàn)了葡萄糖、蛋白質(zhì)、PH測(cè)定的多重分析,以陣列式紙質(zhì)微流體器件實(shí)現(xiàn)了蛋白濃度分析、葡萄糖濃度分析、PH分析,同時(shí)以制備的“Y型”和方形紙質(zhì)微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了NaOH與酚酞的微化學(xué)反應(yīng)。以制備的PDMS微流控芯片實(shí)現(xiàn)了亮藍(lán)溶液和檸檬黃溶液的微混合。結(jié)果表明,制備的微流控芯片能夠應(yīng)用于各種生化分析實(shí)驗(yàn)。石蠟材料成本低、來(lái)源廣,玻璃微噴嘴具有制作過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、化學(xué)惰性好、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)�；跀�(shù)字化液滴微噴射技術(shù)制作紙質(zhì)微流體器件,直接成型,不需要制備掩模,紙質(zhì)微流控芯片制作過(guò)程為非接觸式,避免了交叉污染�；跀�(shù)字化液滴微噴射技術(shù)制作用于PDMS微流控芯片制備的石蠟陽(yáng)模,可實(shí)現(xiàn)高深寬比陽(yáng)模制作,模具直接成型。提供了一種低成本、簡(jiǎn)單、快捷的紙質(zhì)和PDMS微流控芯片制備方法。
【關(guān)鍵詞】：微流體脈沖驅(qū)動(dòng)-控制 微流控芯片 液滴微噴射 微噴嘴 紙質(zhì)微流體器件 PDMS微流體器件
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN492
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 緒論18-39
• 1.1 微流控芯片特點(diǎn)19
• 1.2 微流控芯片的材料19-21
• 1.3 微流控芯片的制備技術(shù)研究現(xiàn)狀21-31
• 1.3.1 紙質(zhì)微流控芯片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀21-27
• 1.3.2 PDMS微流控芯片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀27-31
• 1.4 基于液滴微噴射的微流控芯片制作技術(shù)31-34
• 1.4.1 液體微噴射技術(shù)31-33
• 1.4.2 液體微噴射技術(shù)的發(fā)展及在微流控芯片制作中的應(yīng)用研究33-34
• 1.5 選題的意義和研究?jī)?nèi)容34-37
• 1.5.1 論文選題意義及來(lái)源34-35
• 1.5.2 論文結(jié)構(gòu)與研究?jī)?nèi)容35-37
• 1.6 論文專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)及符號(hào)對(duì)照表37-39
• 2 數(shù)字化液滴微噴射驅(qū)動(dòng)機(jī)理及微噴射仿真分析39-60
• 2.1 脈沖驅(qū)動(dòng)-控制技術(shù)基本特征39
• 2.2 脈沖驅(qū)動(dòng)-控制器特性及微傳輸管固壁的速度分析39-50
• 2.2.1 脈沖驅(qū)動(dòng)-控制作動(dòng)器選型及特性39-41
• 2.2.2 邊界層微流動(dòng)理論41-43
• 2.2.3 粘性微流動(dòng)微分方程43-44
• 2.2.4 圓形微管道內(nèi)微流動(dòng)微分方程44-45
• 2.2.5 脈沖驅(qū)動(dòng)-控制的一維變徑微噴嘴內(nèi)微流體流動(dòng)速度分析45-50
• 2.3 微噴射過(guò)程數(shù)值模擬50-57
• 2.3.1 流體體積法50-51
• 2.3.2 Fluent數(shù)值模擬方法51-53
• 2.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果53-57
• 2.4 微噴射過(guò)程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)57-58
• 2.4.1 主液滴微噴射過(guò)程及液滴運(yùn)動(dòng)57-58
• 2.4.2 衛(wèi)星液滴58
• 2.5 本章小結(jié)58-60
• 3 數(shù)字化液滴微噴射用玻璃微噴嘴制作及實(shí)驗(yàn)研究60-73
• 3.1 微噴嘴材料選擇60-61
• 3.2 微噴嘴制備原理61-63
• 3.2.1 微噴嘴拉制、鍛制工藝原理61-62
• 3.2.2 微噴嘴結(jié)構(gòu)62-63
• 3.3 針柄外徑0.5mm-2mm玻璃微噴嘴制備63-69
• 3.3.1 拉鍛集成式外徑0.5mm-2.0mm玻璃微噴嘴制備儀原理及原型機(jī)64-65
• 3.3.2 拉制工藝參數(shù)對(duì)微噴嘴影響65-67
• 3.3.3 鍛制工藝參數(shù)對(duì)微噴嘴的影響67-69
• 3.4 針柄外徑為4.0-7.5mm的玻璃微噴嘴制備69-72
• 3.4.1 外徑4.0mm-7.5mm玻璃微噴嘴制備儀原理及原型機(jī)69-71
• 3.4.2 系統(tǒng)參量對(duì)針柄外徑4-7mm微噴嘴拉制的影響71-72
• 3.5 本章小結(jié)72-73
• 4 數(shù)字化液滴微噴射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及液滴沉積成型過(guò)程分析73-91
• 4.1 數(shù)字化液滴微噴射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建73-74
• 4.2 系統(tǒng)參量對(duì)數(shù)字化微噴射穩(wěn)定性的影響74-78
• 4.2.1 系統(tǒng)參量對(duì)衛(wèi)星液滴現(xiàn)象的影響74-75
• 4.2.2 系統(tǒng)參量對(duì)噴嘴內(nèi)產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象的影響75-76
• 4.2.3 系統(tǒng)參量對(duì)滲液現(xiàn)象的影響76
• 4.2.4 液體數(shù)字化微噴射均一性實(shí)驗(yàn)76-78
• 4.3 系統(tǒng)參量對(duì)液體數(shù)字化微噴射量的影響78-82
• 4.3.1 液體粘度對(duì)液體微噴射量的影響78-80
• 4.3.2 微噴嘴出口內(nèi)徑對(duì)微噴射量的影響80-81
• 4.3.3 驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)微噴射量的影響81-82
• 4.3.4 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)微噴射體積的影響82
• 4.4 液滴沉積成型過(guò)程分析82-89
• 4.4.1 接觸角介紹82-83
• 4.4.2 噴射液滴與成形面的碰撞83-84
• 4.4.3 微液滴成型機(jī)理分析84-86
• 4.4.4 微液滴成型過(guò)程數(shù)值模擬86-89
• 4.4.5 微噴射液滴的融合89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 5 基于數(shù)字化石蠟液滴微噴射的紙質(zhì)微流體器件制作及應(yīng)用研究91-108
• 5.1 基于數(shù)字化石蠟液滴微噴射的紙質(zhì)微流體器件制作系統(tǒng)及原理91-93
• 5.2 數(shù)字化石蠟液滴微噴射實(shí)驗(yàn)93-95
• 5.2.1 液柱高度對(duì)石蠟液滴穩(wěn)定微噴射影響93
• 5.2.2 微噴嘴內(nèi)徑及驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)石蠟液滴尺寸影響93-95
• 5.3 基于石蠟液滴微噴射的紙質(zhì)微流體器件制作實(shí)驗(yàn)95-100
• 5.3.1 基于石蠟液滴微噴射的紙質(zhì)微流體器件測(cè)試95
• 5.3.2 系統(tǒng)參量對(duì)紙基上疏水石蠟線(xiàn)條影響實(shí)驗(yàn)95-99
• 5.3.3 紙質(zhì)微流體器件制作及測(cè)試99-100
• 5.4 基于石蠟液滴微噴射的紙質(zhì)微流體器件應(yīng)用100-106
• 5.4.1 基于紙質(zhì)微流體器件的葡萄糖濃度分析101-103
• 5.4.2 基于紙質(zhì)微流體器件的牛血清白蛋白(BSA)濃度分析103
• 5.4.3 基于紙質(zhì)微流體器件的PH值分析103-105
• 5.4.4 基于“十字型”紙質(zhì)微流體器件的多重反應(yīng)分析105
• 5.4.5 基于紙質(zhì)微流體器件的微反應(yīng)應(yīng)用105-106
• 5.5 本章小結(jié)106-108
• 6 基于數(shù)字化石蠟液滴微噴射的PDMS微流體器件制作及應(yīng)用研究108-120
• 6.1 基于數(shù)字化液滴微噴射的石蠟陽(yáng)模制作系統(tǒng)108-109
• 6.2 基于石蠟陽(yáng)模的PDMS微流控芯片制作過(guò)程109-111
• 6.3 基于石蠟液滴微噴射的PDMS微流控芯片制作實(shí)驗(yàn)111-118
• 6.3.1 液柱高度對(duì)數(shù)字化石蠟穩(wěn)定微噴射的影響111
• 6.3.2 系統(tǒng)參量對(duì)石蠟液滴尺寸的影響111-113
• 6.3.3 系統(tǒng)參量對(duì)石蠟陽(yáng)模影響113-116
• 6.3.4 基于石蠟陽(yáng)模的PDMS倒模實(shí)驗(yàn)116-117
• 6.3.5 微混合微流控芯片用石蠟陽(yáng)模制作及PDMS倒模實(shí)驗(yàn)117-118
• 6.4 基于石蠟液滴微噴射的PDMS微流控芯片應(yīng)用實(shí)驗(yàn)118-119
• 6.5 本章小結(jié)119-120
• 7 總結(jié)與展望120-123
• 7.1 論文工作總結(jié)120-121
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)歸納121-122
• 7.3 研究展望122-123
• 致謝123-124
• 參考文獻(xiàn)124-136
• 附錄136-138

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 金亞,羅國(guó)安,湯揚(yáng)華,周兆英;集成毛細(xì)管電泳芯片系統(tǒng)的制作、測(cè)試及應(yīng)用[J];分析科學(xué)學(xué)報(bào);2001年02期

2 殷學(xué)鋒,方群,凌云揚(yáng);微流控分析芯片的加工技術(shù)[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2001年04期

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本文編號(hào)：927465