微流控芯片中電滲流輸運(yùn)特性研究.pdf

1、微流控芯片是一種新型的微全分析系統(tǒng)，可用于分析化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的分析和檢測(cè)，具有試劑用量少、分析速度快和成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外微流控芯片發(fā)展概況和存在問(wèn)題進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)微流控芯片在加工和應(yīng)用中存在的表面效應(yīng)等問(wèn)題，采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)微流控芯片中的電滲流輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文完成的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下： 1、研究了微流控中存在的動(dòng)電現(xiàn)象和微流體的常用驅(qū)動(dòng)與控制

2、機(jī)理，基于多物理場(chǎng)耦合特征，提出了電動(dòng)微流體的總體研究方案，分析了微流控芯片中的一般數(shù)學(xué)模型，采用有限元方法( FEM)離散控制方程，推導(dǎo)了雙電層電場(chǎng)Poisson-Boltzmann方程、外加應(yīng)用電場(chǎng)Laplace方程及電滲流場(chǎng)Navier-Stokes方程等的求解步驟，為全文的理論分析和數(shù)值模擬確定了具體的研究路線。 2、在光滑微通道電滲流(EOF)特性的基礎(chǔ)上，采用基于FEM的COMSOL軟件，模擬了具有矩形、三角形、正

3、弦和準(zhǔn)分形粗糙表面的微通道EOF，對(duì)微通道近壁區(qū)、主流區(qū)分別進(jìn)行了分析。研究表明，在近壁區(qū)，粗糙表面會(huì)導(dǎo)致EOF速度出現(xiàn)局部極大值：在主流區(qū)，當(dāng)粗糙度在微米范圍以內(nèi)時(shí)，主流EOF速度基本保持不變；整體范圍內(nèi)，EOF速度會(huì)隨著粗糙度的增大而非線性降低，當(dāng)粗糙元高度接近0.3倍EDL厚度時(shí)，EOF速度受到粗糙度影響最大。該結(jié)果揭示了粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)EOF的影響機(jī)理，對(duì)于微流動(dòng)的摩擦研究具有指導(dǎo)意義。 3、對(duì)疏水和親水表面微通道內(nèi)的EOF

4、進(jìn)行了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，研究表明，親水表面與疏水表面光滑微通道相同，EOF的穩(wěn)態(tài)時(shí)間尺度在毫秒量級(jí)，其大小與微通道高度的平方成正比，EOF速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比；隨著溶液濃度的增大，疏水表面較親水表面微通道EOF速度增大明顯。該結(jié)果對(duì)于提高疏水表面微通道內(nèi)EOF控制精度有參考價(jià)值。 4、對(duì)光滑和粗糙表面的3D微流控芯片中的樣品傳輸、進(jìn)樣和分離過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示表面粗糙度使樣品區(qū)帶增寬，出現(xiàn)峰面“拖尾”現(xiàn)象，提

5、出可以通過(guò)調(diào)節(jié)微通道內(nèi)的外加電壓場(chǎng)強(qiáng)分布加以解決。該結(jié)果對(duì)于提高粗糙表面微流控芯片中樣品分析的效率和精度有重要意義。 5、以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為材料，設(shè)計(jì)和制作了兩種PMMA微流控芯片，并測(cè)量了其表面形貌參數(shù)；基于電流監(jiān)測(cè)法原理，設(shè)計(jì)并組建了多通道EOF檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了檢測(cè)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，完成了PMMA微流控芯片內(nèi)流體流動(dòng)的測(cè)試。 本文的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良