微流體隔離泵送和微流體次序流動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、微觀尺度下的高傳熱傳質(zhì)效率和低物質(zhì)能量消耗使微流體技術(shù)在疾病即時(shí)診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，但目前微流體技術(shù)還無(wú)法很好的解決液體次序流動(dòng)芯片及平臺(tái)的通用性和可控性差、容易出現(xiàn)氣泡等問(wèn)題。本論文針對(duì)微流體分子診斷(Microfluidic molecular diagnostic)中的液體次序流動(dòng)和控制提出一種新型微流體負(fù)壓驅(qū)動(dòng)泵送技術(shù)，研究一種新型核酸與蛋白質(zhì)測(cè)定次序流動(dòng)控制通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同形式的多樣本、多過(guò)程的流體泵送控制

2、，從而促進(jìn)和推動(dòng)微流體疾病即時(shí)診斷相關(guān)產(chǎn)品的成熟化。
　　由聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）材料制作的微流體芯片，通過(guò)負(fù)壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行泵送時(shí)易產(chǎn)生影響微流體芯片正常功能的無(wú)用空氣氣泡。本文研究負(fù)壓流動(dòng)中PDMS流道內(nèi)無(wú)用氣泡生成和長(zhǎng)大機(jī)理，基于PDMS的表面斥水性和流道結(jié)構(gòu)特性，提出在流道內(nèi)不同位置生成氣泡的物理模型，并建立考慮多相間物質(zhì)傳遞和壓力變化的多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，對(duì)氣泡在形成后的體積變化

3、過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)氣泡變化過(guò)程中氣泡長(zhǎng)大速率特性進(jìn)行分析，研究氣泡平均變化速率與關(guān)鍵影響參數(shù)之間的關(guān)系。
　　在微流道內(nèi)氣泡產(chǎn)生和變化機(jī)理研究基礎(chǔ)上，本論文提出一種負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的微流體液體隔離泵送技術(shù)。利用PDMS材料的選擇透過(guò)特性，將被泵送液體與負(fù)壓驅(qū)動(dòng)氣源隔離，依靠通道之間空氣擴(kuò)散引起的流道壓力變化進(jìn)行液體泵送，從根本上避免了液體流動(dòng)時(shí)流道內(nèi)無(wú)用氣泡的形成，并且實(shí)現(xiàn)了封閉流道結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體泵送。本文對(duì)該微泵技術(shù)的液體

4、流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計(jì)算對(duì)比，分析關(guān)鍵過(guò)程特性和設(shè)計(jì)參數(shù)；對(duì)該微泵技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出液體泵送速率與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的定量關(guān)系；為擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，在該微泵上集成手指薄膜泵，開(kāi)發(fā)可以脫離外部能源支持、進(jìn)行獨(dú)立操作的微流體泵送技術(shù)。
　　處于同一平面的液體流道與負(fù)壓氣體通道之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互交叉的立體結(jié)構(gòu)關(guān)系，無(wú)法集成多層結(jié)構(gòu)的控制模塊。本文提出多層復(fù)合結(jié)構(gòu)液體隔離泵送技術(shù)，采用熱塑塑料和硅膠薄膜等材料，將液體流道和氣體流道分別

5、置于不同平面結(jié)構(gòu)上，兩者之間通過(guò)透氣硅膠薄膜隔離，并在片上集成微閥等立體控制結(jié)構(gòu)。本文對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)芯片的快速、低成本制備方法進(jìn)行研究，在更短的時(shí)間內(nèi)將芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化制備成為復(fù)合結(jié)構(gòu)微流體芯片，提高測(cè)試和優(yōu)化效率。
　　本文設(shè)計(jì)具有無(wú)氣泡、高可控性、通用性、自動(dòng)化等特點(diǎn)的微流體次序流動(dòng)與控制平臺(tái)，并對(duì)不同類(lèi)型的微流體次序流動(dòng)芯片進(jìn)行研究。本文在復(fù)合結(jié)構(gòu)微流體芯片上集成一定數(shù)目的氣動(dòng)薄膜微閥，使負(fù)壓驅(qū)動(dòng)氣體同時(shí)對(duì)液體泵送和回路控制進(jìn)行操作