用于微流控芯片液體驅(qū)動的仿葉結(jié)構(gòu)微泵研究.pdf

1、微流控芯片通過對微量液體進行操控，能在幾平方厘米的芯片上實現(xiàn)環(huán)境檢測、藥物篩選、疾病即時診斷等功能，具有低樣品消耗、高分析速度、高通量、微型、便攜等優(yōu)勢。微流控芯片內(nèi)的液體精確驅(qū)動主要依靠微泵來實現(xiàn)，利用毛細-蒸發(fā)效應(yīng)驅(qū)動的微泵，工作過程不需外界能源輸入，易集成和控制、驅(qū)動力強，在微流控芯片液體驅(qū)動方面具有巨大發(fā)展?jié)摿?，然而由于工作機理研究不足，此類微泵未能實現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，本文開展了利用毛細-蒸發(fā)效應(yīng)驅(qū)動微泵的相關(guān)工作機理和結(jié)

2、構(gòu)設(shè)計研究。
　　本文研究了與毛細-蒸發(fā)效應(yīng)密切相關(guān)的植物水分傳輸機制，提出了基于氣孔蒸騰原理的葉片仿生結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了以該結(jié)構(gòu)為核心的仿葉結(jié)構(gòu)微泵液體驅(qū)動系統(tǒng)。植物葉片氣孔蒸騰速率是等面積自由液面蒸發(fā)速率的數(shù)十倍，蒸騰負壓是植物木質(zhì)部內(nèi)水分長距離輸運的動力。本文提出的葉片仿生結(jié)構(gòu)能模擬葉片氣孔蒸騰，其結(jié)構(gòu)包括葉表皮細胞等價層和葉肉細胞等價層。本文研制的仿葉結(jié)構(gòu)微泵以葉片仿生結(jié)構(gòu)為主體，微泵流量與葉片仿生結(jié)構(gòu)蒸發(fā)速率相等，受微孔和環(huán)境

3、因素影響。仿葉結(jié)構(gòu)微泵液體驅(qū)動系統(tǒng)以葉片仿生結(jié)構(gòu)為驅(qū)動核心，以微流控芯片為工作負載。
　　本文研究了葉片仿生結(jié)構(gòu)的微孔蒸發(fā)特性，揭示了葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率與其葉表皮細胞等價層上微孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為微孔陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論支撐。葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率受微孔形狀、尺寸及分布影響。建立了橢圓形微孔蒸發(fā)速率計算仿真模型，得到了微孔開口面的蒸汽擴散特征，定量評價了微孔尺寸及分布對微孔蒸發(fā)速率的影響。建立了裂縫形微孔蒸發(fā)速率的參數(shù)化計算

4、模型，研究了尖角角度對微孔蒸發(fā)速率影響。設(shè)計制作了具有微孔陣列的葉片仿生器件，對以上模型進行了實驗研究，實驗值與理論值具有一致性:對微孔陣列而言，單孔面積一定、分布面積一定時，相鄰孔間距倍率越小，尖角角度越小，葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率越高，葉片仿生器件的流量越大。
　　本文以葉片仿生結(jié)構(gòu)為設(shè)計基礎(chǔ)，研制了一種流量可調(diào)的仿葉結(jié)構(gòu)微泵，研究了微孔陣列開孔率、環(huán)境溫濕度對該微泵流量的影響。該微泵采用SU-8負膠微孔膜作為葉表皮細胞等價層，

5、微孔膜上具有孔間距倍率為3、尖角為40°的裂縫形微孔陣列;采用瓊脂糖凝膠作為葉肉細胞等價層;微泵流量調(diào)節(jié)由齒輪-齒條傳動機構(gòu)控制微孔的遮蓋數(shù)量實現(xiàn)。利用微泵工作平臺研究了微孔陣列開孔率與微泵流量的關(guān)系，實驗結(jié)果表明:微孔陣列的開孔率與微泵的流量近似呈線性關(guān)系。設(shè)計了溫濕度控制裝置，研究了溫度和濕度變化對該微泵流量的影響，實驗結(jié)果表明:仿葉結(jié)構(gòu)微泵的流量隨溫度下降或濕度上升而減小，常溫下流量對濕度變化的響應(yīng)不明顯。
　　本文驗證了仿