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《南京理工大学》 2011年
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基于微流体脉冲驱动—控制的数字化微反应技术及应用研究

穆莉莉  
【摘要】:微反应是微流体系统一个重要的研究方向,在材料合成、分析化学、药物开发、纳米材料制备、生物技术等多个领域有广阔的应用前景。传统连续流微反应器中对反应液体的极性和黏度等有要求,对液体的适用性较差,这使得其应用领域受到很大的限制。同时微反应器内部含有微泵或微阀等可动件,形状比较复杂,加工难度大。目前国内外通常针对某一具体的应用专门设计一种微反应器件,从原理、设计及制作等方面都有极强的针对性,不具有通用性。为此研究新型的微流体驱动方式,对反应流体具有广泛适用性的微反应器是一个重要课题,同时微流体器件的设计与制作以及微反应器的应用等也是重要的研究内容。 微流体脉冲驱动-控制技术在基本概念和理论上有原创性,本论文将微流体脉冲驱动-控制技术应用于微反应的物质微传输与微转化。论文从微传输管中的流体流动特性理论、物质微传输的基础实验、微流体器件设计及制备、撞击-扰动-聚合的微反应原理及新型抗癌光敏材料合成等方面进行了分析、验证和研究。 结合微尺度特性,提出惯性力主导下的固液两相耦合驱动原理:对一维变径型微传输管内微流体的流动特性进行了理论分析和数值求解;对微传输及微喷射过程进行了数值模拟。 搭建了一维数字化微传输实验系统,进行驱控参量、几何参量、物性参量、传输环境参量等系统参量对物质微传输的影响实验,实验结果表明数字化微传输具有极高的分辨率、具有较好的稳定性和均一性,可实现不同黏度液体的数字化微传输。由实验数据得出了系统参量对液体微传输特性的影响规律,为微化学反应中物质的数字化微传输提供确定和选择系统参量的依据。 搭建了显微检测系统,对物质数字化微传输中相关参数进行测量。构建了“折射率液法”实现微传输管内径等特征尺寸的测量,有效解决了水平法测内径折光的现象;采用光学测微尺法及图像处理法实现了微液滴体积的间接测量;利用频闪成像技术实现了微液滴出口速度的测量。 针对石英玻璃成形特点,设计制作了多功能微流体器件制备仪,用玻璃精细加工技术制备出变径型微传输管、微喷嘴、多通微管道等物质数字化微传输用微流体器件。设计了Y型非同轴偏心逆流式微反应器;研究了数字化微反应器的制作方法,采用内束外嵌结合方式将微传输管和微反应室耦合于一体,用激光蚀刻技术制作了基于PMMA材料的微反应器基板,微反应器在基板中键合。制得的微反应器内部既无微可动件又无嵌入式微电路,易于驱动,降低了制造难度和成本。 进行了数字化微化学方式的选择,对数字化微反应的反应原理进行了分析,建立了物质微传输的信号包络图;搭建了数字化微反应实验系统,进行了数字化微反应的基础实验研究。 结合微化学和医学等应用领域,进行了铜、锌、钴三种金属卟啉抗癌光敏材料的合成反应,从反应数据可知,微反应时间大大缩短,反应温度比常规反应有较大降低,物质转化率也有较大提高。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH89

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