基于微流控芯片的微液滴制备技术及应用研究

摘要

微液滴技术是使两种不溶合的液体和液体或者液体和气体形成液体包裹的液滴或者气泡的一种技术。相比于传统宏观技术，微液滴技术具有高效率、高通量、低消耗等优点，因此被广泛应用于微化工、生化、医药等领域。T型通道法是微液滴形成的一种重要方法，微纳米量级的液滴形成是一个多参数函数，变量较多，其大小、形状不仅和流体的流速、通道的尺寸有关，还和流体的粘性力、微观的表面张力、剪切力等参数有关，套用宏观流体力学中的理论公式进行微液滴制备的理论分析是有局限的。目前，微液滴制备的理论研究尚处在基础阶段，并没有形成统一的理论模型，面对不同的流体，不同的驱动方法得到的理论公式甚至可能完全不同，给微液滴的控制和应用带来了一定的困难。本文将从实验研究的角度出发对微液滴制备的影响规律进行研究，进一步推导出基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的T型通道内微液滴形成的理论模型，揭示在微尺度下微液滴的形成规律，为微液滴在生化领域的应用奠定一定的理论基础和实验基础。
　　为进行微液滴的实验研究，本文对微流控芯片的加工方法进行了调研和分析，比较了CNC加工、光刻加工和激光加工的优缺点，确定了微流控芯片的激光加工方案，详述了PMMA微流控芯片的制作步骤。
　　对微流控芯片的键合方法进行了比较分析，为进一步降低微流控芯片的键合难度和成本，提出了聚酯材料的新型微流控芯片键合方法，使芯片的键合成本大大降低，键合时间大大缩小，同时克服了热压键合流道变形、不易控制的难题，也避免了超声波焊接的高成本，本方法可广泛应用于微生化分析芯片的制作中。
　　对微流体的驱动方法进行了总结和筛选，提出了数字化微泵的流体驱动方案，搭建了一套基于数字化微泵的微液滴实验平台，对两通道的数字化微泵进行了自行设计和加工制作。本文分别对数字化微泵的机械结构、电路结构、软件算法进行了介绍，完成了样机，泵送精度可达0.1μl/min，满足微液滴实验的要求，性能优于市场上常用的数字化微泵。
　　PMMA材料为亲水材料，为降低流动阻力，本文使用PDMS溶液对微流体通道的表面性质进行了改性处理。本文重点研究了微通道的尺寸、液相的流速两个参数对微液滴制备的频率与长度的影响规律。对微液滴制备的频率与长度进行计算分析，对国内外相关的理论公式进行了修正，给出了拟合公式。本文还进一步通过改变微通道的宽度，研究了微液滴的分裂后子夜滴的体积比变化规律。
　　将微液滴技术与微胶囊技术相结合，设计了T型微胶囊的微流控芯片结构，进行了微胶囊的制备实验并对生成的微胶囊的稳定性进行了表征。通过微胶囊液相的浓度分析实验，得出了微胶囊生成的最佳浓度。通过改变液相的流量，进一步研究了液相流量对微胶囊生成大小的影响规律。最后对微胶囊包裹酵母菌进行了实验验证，实验表明，将微液滴技术应用于微胶囊的生成，具有稳定、持续、可控的优点，解决了微胶囊生成粒径大小不可控的缺点。提供了微胶囊生成技术新思路，为微流控芯片的应用提供了重要的理论指导。微胶囊包裹酵母菌实验的成功，为后续对于更多更复杂粒子的包裹提供了借鉴。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．2．1 微液滴的制备

1．2．2 微液滴的操控

1．2．3 微液滴的应用

1．3 存在的问题

1．4 理论和应用方面的意义

1．5 课题主要研究内容及论文结构

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 论文结构

1．6 本章小结

2 数字化微泵的设计及制作

2．1 数字化微泵的功能要求

2．2 数字化微泵机械结构设计

2．2．1 功能结构及机械结构分析

2．3 机械传动结构单元选型

2．4 数字化微泵硬件电路设计

2．4．1 电路最小系统模块

2．4．2 注射模块

2．4．3 温度控制模块

2．5 系统控制算法设计

2．5．1 温度控制模块的PID控制算法

2．5．2 步进电机的S型加减速控制算法

2．6 数字化微泵研制实物图及测试分析

2．7 本章小结

3 微液滴的制备的实验研究

3．1 PMMA微流控芯片的制作工艺现状

3．2 液滴制备微流控芯片的结构

3．3 液滴制备微流控芯片的加工

3．3．1 实验设备与试剂

3．3．2 加工流程

3．3．3 通道改性

3．3．4 微通道表面质量的表征

3．4 微液滴的生成规律研究

3．4．1 液相等速变化对液滴的影响

3．4．2 液相非等速变化对液滴的影响

3．4．3 芯片通道尺寸对液滴制备的影响

3．4．4 微液滴制备的规律计算分析

3．5 微液滴的分裂规律研究

3．6 本章小结

4 微液滴的应用研究

4．1 微胶囊技术的简介

4．1．1 微胶囊的制备材料

4．1．2 微胶囊的制备方法

4．2 海藻酸微胶囊的生成原理

4．3 微流控芯片的结构设计

4．3．1 通过玻璃微喷射法产生微胶囊的微流控芯片的设计

4．3．2 通过T型通道产生微胶囊的微流控芯片的设计

4．4 微流控芯片的加工

4．5 微胶囊的制备

4．5．1 实验设备

4．5．2 实验试剂

4．5．3 实验溶液的制备

4．5．4 微胶囊制备过程

4．5．5 微胶囊制备稳定性表征

4．5．6 海藻酸浓度对微胶囊生成的影响规律

4．5．7 液相流量对微胶囊生成粒径大小的影响规律

4．6 微胶囊包裹酵母细胞的实验

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及科研成果