微流道中粒子黏弹性聚焦机理研究

摘要

近年来，随着微纳机械制造技术的迅猛发展，微流控技术得到更为广泛的研究。其中，利用流体自身特性的黏弹性微流控技术由于操作简单，无需复杂器件，无需外场等优点，开始引起学者们的关注。同时，黏弹性效应的运用可增强微流控芯片对微纳米粒子的操控效率，有望减小芯片结构尺寸。一方面，黏弹性微流控技术为待测样品液的富集、分选、提纯等预处理开辟新的途径。另一方面，在微流控技术商业化过程中，实际处理的样品液普遍存在黏弹性，不得不考虑黏弹性效应对微粒操控的影响。本文基于微纳机械制造技术，从多种流速、多尺寸粒子、不同特性溶液等方面入手，探究微流道中粒子黏弹性聚焦机理。论文取得下列研究成果:
　　(1)基于多种微纳机械制造工艺，制作了用于探究粒子黏弹性聚焦机理的不同结构、尺寸的微流控器件。集成毛细玻璃管，制备了便于高压引流及废液收集的刚性圆截面流道的微型化器件。利用拔丝法，制各单纯PDMS材质的圆截面直流道的一体化微流控器件。基于掩模光刻技术与模塑法，制备了多种结构、尺寸的矩形截面直流道、直型缩扩流道、圆角缩扩流道以及螺旋流道。
　　(2)研究了圆截面流道中粒子黏弹性聚焦机理。首先，对比分析玻璃管内牛顿流体与黏弹性流体中粒子横向迁移特性。粒子在黏弹性效应下可实现圆截面中心聚焦，而牛顿流体中的粒子则在惯性升力驱动下可形成经典的Segré-Silberberg圆环。其次，研究粒子黏弹性聚焦的尺寸及流速调控效用。10μm大粒子具有比5μm小粒子更好的黏弹性聚焦效果。而且随着驱动流速增加，粒子聚焦效果逐渐增强。进而表征了粒子沿流道长度的动态黏弹性聚焦过程。理论推导了圆形流道中粒子黏弹性聚焦所需安全流道长度的数学模型式，并通过实验初步验证了该模型式的有效性。最后，探索单纯PDMS材质的圆形流道中粒子黏弹性聚焦特性，发现粒子聚焦强度随流速变化的特殊规律。实验了PDMS圆形流道中基于黏弹性效应的血细胞聚焦，验证了粒子黏弹性聚焦技术运用于生物粒子操控的可行性。
　　(3)研究了矩形截面直流道及直型缩扩流道中粒子黏弹性聚焦机理。首先，测试了矩形截面直流道中粒子聚焦效果随流速的变化，获得与圆截面直流道类似的粒子聚焦过程。其次，分析了流道截面形状及尺寸对粒子黏弹性迁移的调控，发现矩形截面流道比圆形流道更不易实现粒子的流道中心聚焦。定量研究堵塞比对粒子聚焦的影响，提出存在促进粒子黏弹性聚焦的较优堵塞比。再次，实验了多种样品液中粒子不同的迁移过程，得到PEO样品液中的粒子未实现单束聚焦的迁移规律。另外，研究了直型缩扩流道中流速、截面尺寸对粒子黏弹性迁移的调控，获得比单纯直流道更好的聚焦效果。进一步改进突扩结构，设计圆角突扩，实验结果表明该结构有利于促进粒子黏弹性聚焦。最后，在矩形截面直流道中获得10μm粒子2.5倍的富集浓缩，以及2μm、10μm混合粒子的提纯分选。
　　(4)研究了螺旋流道中粒子黏弹性迁移特性。首先，研究了螺旋流道中粒子黏弹性聚焦随流速变化的规律，验证了黏弹性溶液中的粒子分布于外半侧流道。并发现8wt％PVP样品液流速越大，粒子聚焦位置越靠近流道中心，在该样品液中获得理想的粒子单列聚焦。其次，测试了聚合物浓度及类型对粒子迁移特性的影响，结果显示6.8wt％PVP样品液中的粒子比2wt％PVP更易实现聚焦，但6.8wt％PVP样品液浓度进一步提升至8wt％，对粒子聚焦的促进效果不明显。与PVP样品液中的粒子能实现理想的单列聚焦相比，较小弹性系数的PEO样品液中粒子无法单束聚焦。再次，探究了多种流道宽度及初始半径的螺旋流道中粒子黏弹性迁移规律。实验结果表明随着螺旋流道宽度增大，粒子荧光峰值靠近外壁面。而螺旋初始半径越小，Dean拽力越大，粒子荧光峰值同样越靠近外壁面。最后，利用螺旋流道将2wt％PVP中的10μm粒子黏弹性富集浓缩3.1倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 微流操控技术研究现状

1．2．1 主动式微操控技术

1．2．2 被动式微操控技术

1．2．3 惯性微操控技术

1．3 黏弹性微流控技术研究进展

1．3．1 直型流道黏弹性微流控技术研究进展

1．3．2 弯流道黏弹性微流控技术研究进展

1．4 课题立题依据与主要研究内容

1．4．1 课题的立题依据

1．4．2 课题的经费来源

1．4．3 论文的主要研究内容与组织结构

第二章 粒子黏弹性聚焦的物理机制、器件制备及实验表征方法

2．1 引言

2．2 黏弹性溶液特性

2．3 黏弹性溶液中粒子操控的物理机制

2．3．1 黏弹性效应

2．3．2 惯性迁移效应

2．3．3 弯流道中截面Dean流

2．4 多种微流控芯片制备

2．4．1 玻璃管微流道集成器件制作

2．4．2 拔丝法微流道PDMS器件制作

2．4．3 基于光刻技术的PDMS-玻璃微流控芯片制备

2．5 实验样品液

2．6 粒子聚焦表征平台

2．7 数据分析方法

2．8 本章小结

第三章 圆截面流道中粒子黏弹性聚焦机理研究

3．1 引言

3．2 玻璃管圆截面直流道中粒子聚焦行为研究

3．2．1 牛顿流体与黏弹性流体比较

3．2．2 粒径及流速对聚焦效果的调控效用

3．2．3 粒子沿流道长度方向的聚焦过程

3．2．4 弹性系数El对粒子聚焦效果的调控效用

3．3 圆截面PDMS直流道中粒子聚焦行为研究

3．3．1 PDMS流道内的流速调控效用

3．3．2 黏弹性效应的血细胞操控

3．4 本章小结

第四章 矩形直流道中粒子黏弹性聚焦机理研究

4．1 引言

4．2 矩形流道中粒子黏弹性聚焦行为研究

4．2．1 矩形流道内流速对粒子黏弹性迁移行为的调控效用

4．2．2 截面尺寸及形状对粒子黏弹性聚焦的影响

4．2．3 矩形流道中溶液特性对粒子黏弹性聚焦的调控

4．3 缩扩直流道中粒子迁移行为研究

4．3．1 缩扩效应提升粒子黏弹性聚焦效果

4．3．2 圆角缩扩进一步提升粒子聚焦效果

4．3．3 缩扩尺寸对粒子迁移的调控效用

4．4 矩形直流道中粒子黏弹性富集与提纯分选

4．5 本章小结

第五章 螺旋流道中粒子黏弹性迁移的研究

5．1 引言

5．2 流速对螺旋流道中粒子黏弹性聚焦的调控

5．3 溶液特性对螺旋流道内粒子迁移作用机理

5．3．1 黏弹性溶液浓度对粒子迁移行为的影响

5．3．2 溶液类型对螺旋流道中粒子迁移的调控

5．4 螺旋流道结构对粒子黏弹性迁移行为的影响

5．4．1 螺旋流道宽度对粒于黏弹性迁移的影响

5．4．2 螺旋初始半径对粒子黏弹性迁移的影响

5．5 螺旋流道中粒子黏弹性富集

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介