侧壁沟通式T型交叉微圆通道装置:微流动混合效应及粒子合成应用初探

摘要

微流控技术是在几十到几百微米尺度的通道中，进行处理和操纵纳升甚至更小体积液体的一种新兴技术。近年来，利用微通道流控结构，来实现纳升级甚至更小体积液体的混合及应用，是微流控技术发展的一个重要方面。微流控微混合液体的操控能力已经吸引了众多研究者利用其来合成微纳米粒子，并取得了一定的成果。本论文采用简易的微丝模塑法设计和制作侧壁沟通式T型交叉微圆通道装置，探讨这种构型特点的微流动装置的混合效果及应用于粒子合成的可能性。
　　首先，基于基于微丝模塑法工艺简约的特点，设计并加工制作出T型交叉的微圆通道装置，这种装置的通道特点是在两通道交叉处具有侧壁沟通通孔结构，这种通道的几何结构可使流过的流体发生收缩、放大、转向的预期行为。
　　为了考察流体通过上述通道结构的流动行为，论文从数值模拟和流体示踪实验两条途径展开定量研究。数值模拟实验中，我们对直径为100μm，80μm和60μm的微圆通道进行了模拟，并采取变化的微通道中心轴间距d来模拟真实的微混合通道。通过分析微圆通道的速度矢量，我们得出结论，直径为80μm的T型微圆通道在中心轴间距d取70μm时，微圆通道沟通通孔处的速度矢量有着明显的紊乱度。
　　流体示踪实验中，将红绿两种溶液在不同的微注射泵流速下导入微圆通道，观察分析两种呈色溶液在微圆通道中的混合情况。结果表明，在入口端微注射泵保持相同的流速，并且维持在较低流速(2~8μL/min)时，微圆通道能够达到最好的混合效果。
　　为了进一步探讨这种结构的微通道装置的实际微混合能力，以磁粒子合成反应作定性与定量考察。对不同浓度的反应液，对比各组实验结果，我们可以得出合成粒子的最佳反应条件为：选择实验组4的反应液浓度，微注射泵流速2-8μL/min，混合液的pH值大于9。根据以上条件，合成了微纳米粒子四氧化三铁，我们采用倒置荧光显微镜、激光共聚焦显微镜和原子力显微镜的观察手段，表征得到粒子的基本形貌。结果表明，在上述条件下，我们通过微混合通道得到了一定形貌的粒子。
　　这些研究结果表明，基于微丝模塑工艺制作出的侧壁沟通式T型交叉微圆通道装置，在一定的流动条件下是一种微混合流控装置，并将可以应用于许多需要微混合的微流控操纵场合。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的、内容和技术路线

2 微圆通道装置的制作

2.1 微流控芯片的制作材料和工艺

2.2 微丝模塑工艺制作微圆通道

2.3 实验平台介绍

2.4 小结

3 T型微圆通道的混合效果模拟

3.1 引言

3.2 基于Gambit-Fluent软件的数值模拟

3.3 流体示踪模拟实验

3.4 小结

4微流动混合合成微米粒子

4.1 实验方法

4.2 微流动混合反应的最佳条件探索

4.3 微混合合成粒子表征

4.4 小结

5结论与展望

5.1 论文完成的主要工作以及创新点

5.2 进一步的研究建议

致谢

参考文献

附 录