弯曲微通道中样品电泳输运特性的研究

摘要

在微流控电泳芯片中，分离微通道的形状对样品电泳输运特性有重要影响。弯曲微通道有助于增加分离通道的长度和减小外界压力梯度的干扰。但是，当样品区带通过弯曲微通道后，将会产生倾斜和扭曲而造成区带增宽。弯曲微通道引起的样品区带增宽现象称为“弯道效应”。弯道效应极大地降低了微流控电泳芯片的分离效率，甚至能导致分离分析失败。理论分析表明，弯曲微通道的宽度是弯道效应的主要决定因素。本文主要研究了具有不同收缩比的弯曲微通道中的样品电泳输运特性，以期优化收缩弯曲微通道的尺寸参数，为微流控电泳芯片的设计提供指导。 本论文采用坐标变换和有限体积法对弯曲微通道中的电场分布、流场分布和样品浓度场分布进行了数值计算，考察了收缩比对样品输运速度和区带增宽程度的影响。在数值计算的基础上，制作了玻璃微流控电泳芯片，采用荧光可视化微流体实验技术，在微流控动态观测平台上实验研究了弯曲微通道中的样品电泳输运特性，验证了数值计算结果的正确性。 数值计算结果表明：对于宽度为80μm的分离微通道，收缩比为31.25％时，弯曲微通道内壁附近平均速度与外壁附近平均速度比值为1.04，通道截面速度流型近似为塞状且样品平均速度达到最大；而收缩比大于或小于31.25％时，通道截面速度流型均偏离塞状且样品平均速度变小。样品在通过收缩比为31.25％的弯曲微通道后区带增宽程度仅为通过180°等宽圆弧弯曲微通道后的1.28％，弯道效应引起的区带增宽最小。实验结果也说明，分离微通道中样品输运速度和弯道效应引起的区带增宽程度与数值计算结果不但在定性上一致，而且归一化处理后在定量上一致。 综合数值计算和实验结果，对于宽度为80μm的分离微通道，采用收缩弯曲微通道降低样品区带增宽时的最优收缩比为31％。当收缩比进一步减小，收缩扩张口结构尺寸的变化引起流场趋向于抛物线压力流，弯道效应引起的区带增宽减小的同时，压力流引起的区带增宽增加，使得总体区带宽度呈缓慢增加趋势。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助项目

独创性说明及学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1研究背景

1.2文献综述及研究现状

1.2.1微通道中样品区带的增宽

1.2.2微流控电泳芯片分离中的弯道效应

1.3本论文的目的及内容

2电泳输运的理论基础

2.1双电层理论

2.2电渗

2.3电泳

2.4微流控电泳芯片的分离效率和分离速度

2.5芯片微通道的等效电阻模型

2.6弯道效应的理论分析

2.7本章小结

3弯曲微通道中样品电泳输运特性的数值计算

3.1二维微通道中样品电泳输运特性的数值计算

3.1.1物理模型及控制方程

3.1.2计算边界条件

3.1.3控制方程离散化方法

3.1.4计算过程

3.1.5计算结果及分析

3.2三维微通道中样品电泳输运特性的初步计算

3.2.1计算模型的建立和网格的划分

3.2.2控制方程及其求解

3.2.3计算结果及分析

3.3本章小结

4弯曲微通道中样品输运特性的实验研究

4.1玻璃芯片的制作

4.1.1掩模版的设计及制造

4.1.2玻璃芯片的制作工艺

4.2实验仪器和用品

4.3玻璃芯片的电泳过程

4.3.1电泳的前期准备

4.3.2电泳过程

4.3.3实验过程中应注意问题

4.4实验图像处理

4.5实验结果及分析

4.5.1电场强度对样品区带倾斜角的影响

4.5.2弯曲收缩比对样品输运速度的影响

4.5.3弯曲收缩比对区带增宽的影响

4.5.4实验结果与数值计算结果的比较

4.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢