微混合器混合效果的研究

摘要

微流控芯片是微流控分析系统中最为活跃的部分，它是分子生物学、微电子技术、微流体力学等的交叉学科。微混合器是微流控芯片的主要核心部分，主要应用于化学合成、生物分析中的DNA杂交、以及化学反应、检测等领域，可以实现快速、高效的混合。微混合器在这些领域的应用最大意义是节省样品、减少实验时间。本课题研究主动混合器的干扰参数与混合器结构对混合效果的影响，用以设计高效的混合器与指导混合实验的操作。
　　本文首先设计了圆柱形气压驱动混合器，用于研究主动参数对混合效果的影响。通过对混合器内部流场速度场的仿真得到混沌对流的形式并分析它产生的对流扩散及其对混合的作用，进而研究主动参数对混合效果的影响。本文提出:混合时间与驱动频率的平方成反比，与驱动压强一次方成反比的函数关系并对2组实验数据按照这种函数式拟合，得到拟合函数的可信度均满足工程要求—0.95。另外还得到具有压力差的主动混合器才能加强混合效果的结论。为了再次验证主动参数与混合效果之间的这种关系，设计了另外一种Y型连续混合器，Y型混合器的研究内容中还包含通道结构对混合效果的影响以及扩宽它的雷诺数适用范围的问题。在处理Y型混合器的实验结果中，提出当量混合时间的概念，它可以对所有类型的混合器就混合效果给出评价。通过Y型混合器实验结果再次验证本文提出的主动参数与混合效果之间的关系，并得到混合器结构对混合效果的影响的条件以及该混合器较宽的雷诺数适用范围。
　　任何主动参数下，通过这种关系可以预测主动混合器的最大混合能力;根据少量实验数据迅速找到主动混合器最强的混合效果及其对应的主动参数，主动参数与混合效果间明确的函数关系对混合实验操作具有理论指导意义。另外，具有压力差的主动混合器才会加强混合效果的结论为设计成功的混合器提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 微流控与微芯片技术

1．1．1 微流控技术

1．1．2 微生物芯片国内外现状

1．2 微混合器发展

1．2．1 分层混合器

1．2．2 混沌对流混合器

1．2．3 平面被动混合器的发展

1．2．4 微流动仿真

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文主要创新点

第2章 主动混合器与主被动混合器设计

2．1 流动基本概念

2．1．1 速度势与流函数

2．1．2 壁面与流体间接触的边界条件

2．1．3 微流动特点

2．2 混合理论

2．2．1 多组分扩散的控制方程

2．2．2 分子扩散方程

2．3 主动混合器的结构与系统设计

2．4 主被动混合器的结构与系统设计

2．5 小结

第3章 主动混合器流场分析

3．1 流体力学基础

3．1．1 流体力学理论

3．1．2 计算流体力学的差分理论

3．2 主动混合器速度场仿真与分析

3．2．1 主动混合器CFD模型

3．2．2 驱动膜变形过程速度场分析

3．2．3 驱动膜恢复变形的流场形态分析

3．3 主动混合器压力分析

3．3．1 不封闭环境压力场分析

3．3．2 封闭环境压力场分析

3．4 小结

3．4．1 主动混合器速度场分析小结

3．4．2 主动混合器压力场分析小结

第4章 主动参数对混合效果的影响

4．1 驱动位置对混合效果影响的分析

4．1．1 内圈驱动对混合的影响

4．1．2 外圈驱动对混合的影响

4．1．3 驱动位置与组分放置方式对混合效果的影响

4．2 主动混合器实验

4．2．1 芯片制造

4．2．2 实验前置处理

4．2．3 实验操作

4．3 驱动频率对混合效果的影响

4．3．1 频率与混合时间关系

4．3．2 频率对混合效果影响的实验结果

4．3．3 实验结果处理

4．4 驱动压力对混合效果的影响

4．4．1 压力与混合时间关系

4．4．2 压力对混合效果影响的实验结果

4．4．3 实验结果处理

4．5 小结

第5章 主被动混合器混合效果研究

5．1 被动混合器结构设计的优化过程

5．1．1 无驱动无阻碍的Y型混合器

5．1．2 无阻碍有干扰的改进

5．1．3 有干扰有阻碍的Y型混合器

5．2 当量混合时间

5．3 主动参数对混合效果影响

5．3．1 压力对混合效果的影响

5．3．2 驱动频率对混合效果影响实验结果

5．4 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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