流動聚焦液滴生成技術(shù)研究.pdf

1、液滴微流體技術(shù)(Droplet Microfluidics)是近十年來在微流控平臺上發(fā)展起來的一種操縱微小體積液體的技術(shù)，是關(guān)于軟物質(zhì)、生物化學(xué)以及微系統(tǒng)工程的交叉領(lǐng)域的研究。其應(yīng)用范圍涉及快速分析系統(tǒng)、先進(jìn)材料的合成、蛋白質(zhì)的結(jié)晶以及生物細(xì)胞的鑒定等方面?；谝旱蔚奈⒘骺叵到y(tǒng)已經(jīng)被證明能夠很好地與化學(xué)生物試劑相結(jié)合，能夠執(zhí)行各種數(shù)字微流體中的編程方法和配置。該技術(shù)具有時(shí)間尺度上的極大優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)液滴反應(yīng)器中的快速混合，以減少反應(yīng)時(shí)間

2、，再加上能夠精確生成液滴以及對其進(jìn)行大量的重復(fù)操作，使得基于液滴的微流體系統(tǒng)成為生化研究和應(yīng)用中有效的高通量平臺。除了被用作微納米尺度的反應(yīng)器，基于液滴的微流體系統(tǒng)還被用于直接合成粒子，封裝生物實(shí)體以用于生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域。因此基于液滴的微流控系統(tǒng)對于當(dāng)今生物工程和材料工程具有重大的意義。流動聚焦結(jié)構(gòu)(Flow Focusing，F(xiàn)F)是目前使用的最廣泛的液滴形成結(jié)構(gòu)，其基本原理是同向流動的內(nèi)相液體與外相液體流經(jīng)收縮的喉部時(shí)，外相液

3、體剪斷內(nèi)相液體形成液滴。目前對于FF管道中液滴的生成及操控機(jī)理已經(jīng)有了大量的研究，但在某些參數(shù)上還存在著缺口，特別是幾何參數(shù)，此外對于系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象也研究的比較少。因此，本文詳細(xì)地討論了該系統(tǒng)中涉及的參數(shù)，分析了高低流速下不同的非線性現(xiàn)象，并開展了基于外磁場的液滴操控技術(shù)以及其他相關(guān)應(yīng)用，對液滴破碎的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了補(bǔ)充。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1.搭建了一種易實(shí)現(xiàn)的微流控芯片加工平臺，方便了微流體芯片的加工。在當(dāng)前

4、微流控加工前期投入巨大，導(dǎo)致課題門檻較高的大背景下，本文通過大量的嘗試，采用相對便宜的準(zhǔn)直紫外燈取代了昂貴的光刻機(jī)，大大的減少了制作成本。利用易實(shí)現(xiàn)的加工平臺，制作出了各種符合實(shí)驗(yàn)要求的微流控芯片。并對加工過程進(jìn)行了長期探索，采用一系列措施大大縮短了芯片的成型周期，節(jié)約了時(shí)間成本。該部分工作對于微流體技術(shù)的發(fā)展有著重要的作用。
　　2.通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了流動聚焦管道喉部尺寸、兩相流體性質(zhì)以及兩相流速對液滴形成模態(tài)的影響，分析

5、了液滴斷裂的所有模態(tài)，得到了其內(nèi)部壓力場、速度場和兩相界面的演化。固定分散相流速，當(dāng)連續(xù)相流速小于某個(gè)極限值時(shí)，喉部長度的增長會導(dǎo)致液滴的直徑先變大后減小。當(dāng)連續(xù)相流速大于該極限值時(shí)，液滴直徑隨著喉部長度的增長而單調(diào)減小。對于喉部寬度而言，液滴尺寸伴隨著喉部寬度的增加全程單調(diào)增加。當(dāng)兩相流體均屬于低黏度范疇時(shí)，整個(gè)流動過程由流率控制的液滴破碎機(jī)理主導(dǎo)，液滴尺寸隨著分散相黏度的增大而增大?？偨Y(jié)了不同流速下，F(xiàn)F結(jié)構(gòu)中液滴破碎的絕大部分模態(tài)

6、，包括squeezing，dripping，jetting，satellite和threading。利用COMSOL兩相流水平集方法對FF管道中的液滴破碎過程進(jìn)行了模擬，得到了管道內(nèi)的壓力分布、速度分布，證明了3D管道中，由于其內(nèi)部兩相界面獨(dú)特的曲面形狀更容易產(chǎn)生不穩(wěn)定性，因此液滴的斷裂會比2D情況快一些，從而生成的液滴相對小一些。該部分工作為FF芯片的設(shè)計(jì)以及液滴尺寸的控制提供了參考。
　　3.展示了流動聚焦管道中的高階非線性現(xiàn)

7、象，結(jié)合流體力學(xué)無量綱參數(shù)的分析，明確了非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理為其內(nèi)部慣性力。描述了低流速下的period1-period2-period1轉(zhuǎn)變以及高流速下的period1-period2-period4-chaos的變化。證明在低流速下，液滴尺寸的分叉在長喉部的情況下更容易發(fā)生，但其內(nèi)部的主導(dǎo)力為毛細(xì)應(yīng)力，得到慣性力和毛細(xì)應(yīng)力共同主導(dǎo)該分叉的結(jié)論。而高流速下，慣性力占據(jù)主導(dǎo)作用，引起了一系列的非線性過程。該部分工作對微管道的設(shè)計(jì)提供了更

8、多的參數(shù)支持。
　　4.開展了基于液滴徽流控的相關(guān)應(yīng)用，包括磁性液滴的生成控制與分離、液滴的分裂、球狀棒狀微顆粒的制備。首先完成了微流體管道與磁場發(fā)生裝置的結(jié)合，在傳統(tǒng)流速控制的基礎(chǔ)上通過磁力進(jìn)一步控制鐵磁流體液滴尺寸。討論了磁力操縱過程中的兩個(gè)重要因素:磁黏效應(yīng)和磁拖曳效應(yīng)。在固定流速(連續(xù)相流速Q(mào)c=1mL/h，分散相流速Q(mào)d=0.2mL/h)的情況下，液滴平均直徑隨著磁場由0mT增加到60mT從135μm減小到95μm。此外