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微流控芯片中层流现象的研究与应用

慕轩  
【摘要】: 本文以微流控芯片中的层流现象为研究目标。首先搭建了微流控芯片系统,主要涉及芯片制作工艺,可拆卸式的转矩阀,芯片的接口(抗压,抗有机溶剂)和流体驱动方式等。其次,在搭建的微流控系统平台的基础上,研究了互溶液体和不互溶液体层流的流体行为和控制方法,并建立了理论模型。最后将层流应用于玻璃微加工,溶剂萃取和金属图案化等,带来了常规方法所没有的优点。具体阐述如下: 一.可拆卸式的转矩阀。为了满足微流控芯片用于临床检测(Point of Care)和资源匮乏等场合的需要,设计和制作了可拆卸式的转矩阀。这种转矩阀不仅制作成本较低,也简化了微流控芯片的制作工艺。此外,为了更好的理解阀的运动过程,对聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性薄膜建立了有限元模型。 二.流速可控的负压驱动系统。在真空水泵的管路中增加针阀和三通等部件。通过针阀来调节真空度的大小,进而调节芯片上液体的流速。通过改变流体的流速,实现了气液两相流从层流到气泡流(间隔流)的转变。利用两套独立的负压驱动系统,实现了十字通道层流。通过设定不同的流速比,可以改变十字通道处层流的流动状态和驻点的位置。十字层流的有限元分析结果与实验结果一致。 三.层流辅助湿法腐蚀。利用层流在三维空间的特点,让腐蚀液体两侧的层流起到保护两侧的材料,阻止侧向腐蚀的作用,从而提高玻璃微结构的深宽比。层流湿法辅助腐蚀得到的深宽比可以超过传统湿法腐蚀的理论极限值。让湿法腐蚀制作出玻璃材料的深宽比得到提高。与传统湿法腐蚀所使用的固态腐蚀掩模(如金属和硅)相比,命名这样的层流为“液态腐蚀掩模”。 四.层流溶剂萃取中药中有效成分。通过通道内壁的选择性修饰,让丹参药材提取液和二氯甲烷有机溶液在通道内形成层流。提取液中的非极性成分(如丹参酮)通过液液界面的扩散被萃取到有机相中,从而将药材中的极性成分(如丹酚酸B)分离出来。由芯片外的液相色谱检测,萃取率最高达92%。此外,还比较了两路层流和三路层流对于萃取效率的影响,建立了基于扩散距离的萃取模型。理论模型得到的结果与实验结果相吻合。 五.不互溶液体层流及金属图案化。利用通道的空间限制产生了不互溶液体的层流。然后使用这样的层流在微通道内镀银和去铬,制作了通道内的金属图案。因为消除了液液之间的扩散,所以金属的图案更为均一,长度更长。在一维连续性图案的基础上,也制作了金属点阵图案,并用于牛血清蛋白的点阵排列。通过空间限制产生的不互溶液体层流也可用于溶剂萃取。 六.不互溶液体层流的理论模型。采用了拉普拉斯压差和水力压差相互作用的模型。计算和实验结果表明,两个压差的比值可以用来判断流体行为的改变。


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