微流控芯片中电渗流输运特性研究

摘要

微流控芯片是一种新型的微全分析系统，可用于分析化学和生物医学等领域的分析和检测，具有试剂用量少、分析速度快和成本低等优点。本文在对国内外微流控芯片发展概况和存在问题进行深入分析研究的基础上，针对微流控芯片在加工和应用中存在的表面效应等问题，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对微流控芯片中的电渗流输运规律进行了系统的研究。本文完成的主要研究工作和创新成果如下： 1、研究了微流控中存在的动电现象和微流体的常用驱动与控制机理，基于多物理场耦合特征，提出了电动微流体的总体研究方案，分析了微流控芯片中的一般数学模型，采用有限元方法( FEM)离散控制方程，推导了双电层电场Poisson-Boltzmann方程、外加应用电场Laplace方程及电渗流场Navier-Stokes方程等的求解步骤，为全文的理论分析和数值模拟确定了具体的研究路线。 2、在光滑微通道电渗流(EOF)特性的基础上，采用基于FEM的COMSOL软件，模拟了具有矩形、三角形、正弦和准分形粗糙表面的微通道EOF，对微通道近壁区、主流区分别进行了分析。研究表明，在近壁区，粗糙表面会导致EOF速度出现局部极大值：在主流区，当粗糙度在微米范围以内时，主流EOF速度基本保持不变；整体范围内，EOF速度会随着粗糙度的增大而非线性降低，当粗糙元高度接近0.3倍EDL厚度时，EOF速度受到粗糙度影响最大。该结果揭示了粗糙结构对EOF的影响机理，对于微流动的摩擦研究具有指导意义。 3、对疏水和亲水表面微通道内的EOF进行了瞬态和稳态数值模拟，研究表明，亲水表面与疏水表面光滑微通道相同，EOF的稳态时间尺度在毫秒量级，其大小与微通道高度的平方成正比，EOF速度与电场强度成正比；随着溶液浓度的增大，疏水表面较亲水表面微通道EOF速度增大明显。该结果对于提高疏水表面微通道内EOF控制精度有参考价值。 4、对光滑和粗糙表面的3D微流控芯片中的样品传输、进样和分离过程进行了系统级的数值模拟，结果显示表面粗糙度使样品区带增宽，出现峰面“拖尾”现象，提出可以通过调节微通道内的外加电压场强分布加以解决。该结果对于提高粗糙表面微流控芯片中样品分析的效率和精度有重要意义。 5、以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为材料，设计和制作了两种PMMA微流控芯片，并测量了其表面形貌参数；基于电流监测法原理，设计并组建了多通道EOF检测实验系统，采用虚拟仪器软件LabVIEW开发了检测平台；在此基础上，完成了PMMA微流控芯片内流体流动的测试。 本文的理论分析、数值模拟和实验结果吻合良好，对于微流控芯片的基础研究、设计开发及其应用具有重要的理论意义和现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概论

1.1课题的提出及其意义

1.2微流控芯片的发展概况

1.2.1国外发展概况

1.2.2国内发展概况

1.3微流控芯片的结构特征及特点

1.4微流控芯片中电渗流特性研究现状

1.4.1理论分析

1.4.2数值模拟

1.4.3实验研究

1.5微流控芯片研究中存在的问题

1.6本文的研究内容

第2章微流控中的动电模型及数值方法

2.1微流控中的动电现象

2.2数学模型

2.2.1双电层电势场

2.2.2外加应用电场

2.2.3电渗流场

2.2.4溶液浓度场

2.2.5边界条件

2.3数值模拟方法

2.3.1离散化方法

2.3.2有限元方法求解

2.4假设和近似

2.5本章小结

第3章微通道内电渗流数值模拟研究

3.1解析解过程及数值解确认

3.2光滑表面微通道内电渗流数值模拟

3.2.1溶液浓度的影响

3.2.2微通道高度的影响

3.2.3电场强度的影响

3.3矩形粗糙表面微通道内电渗流数值模拟

3.3.1粗糙元高度的影响

3.3.2粗糙元间距的影响

3.3.3粗糙度与双电层厚度的影响

3.4三角形粗糙表面微通道内电渗流数值模拟

3.4.1粗糙元高度的影响

3.4.2粗糙元频率的影响

3.5正弦粗糙表面微通道内电渗流数值模拟

3.5.1粗糙元高度的影响

3.5.2粗糙元频率的影响

3.6分形粗糙表面微通道内电渗流数值模拟

3.6.1分形维数的影响

3.6.2分形个数的影响

3.7疏水表面微通道内电渗流数值模拟

3.7.1溶液浓度的影响

3.7.2微通道高度的影响

3.7.3电场强度的影响

3.8本章小结

第4章微流控芯片中电渗驱动数值模拟

4.1数值模拟结果确认

4.2光滑表面微流控芯片中电渗驱动数值模拟

4.2.1微通道中的样品传输

4.2.2交叉通道中的夹流进样

4.2.3样品分离的模拟

4.3粗糙表面微流控芯片内电渗驱动数值模拟

4.4本章小结

第5章PMMA微流控芯片制作及实验研究

5.1芯片材料及制作方法

5.2 PMMA微流控芯片制作

5.2.1微通道结构设计

5.2.2 PMMA基片

5.2.3芯片储液槽加工

5.2.4芯片键合

5.3电流监测实验系统的建立

5.4电渗流的测量

5.4.1仪器与试剂

5.4.2实验过程

5.4.3实验结果及分析

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1全文总结

6.2论文创新点

6.3工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果