用于微流控芯片液體驅(qū)動(dòng)的仿葉結(jié)構(gòu)微泵研究.pdf

1、微流控芯片通過對(duì)微量液體進(jìn)行操控，能在幾平方厘米的芯片上實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)、藥物篩選、疾病即時(shí)診斷等功能，具有低樣品消耗、高分析速度、高通量、微型、便攜等優(yōu)勢(shì)。微流控芯片內(nèi)的液體精確驅(qū)動(dòng)主要依靠微泵來實(shí)現(xiàn)，利用毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的微泵，工作過程不需外界能源輸入，易集成和控制、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，在微流控芯片液體驅(qū)動(dòng)方面具有巨大發(fā)展?jié)摿?，然而由于工作機(jī)理研究不足，此類微泵未能實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，本文開展了利用毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微泵的相關(guān)工作機(jī)理和結(jié)

2、構(gòu)設(shè)計(jì)研究。
　　本文研究了與毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)密切相關(guān)的植物水分傳輸機(jī)制，提出了基于氣孔蒸騰原理的葉片仿生結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了以該結(jié)構(gòu)為核心的仿葉結(jié)構(gòu)微泵液體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。植物葉片氣孔蒸騰速率是等面積自由液面蒸發(fā)速率的數(shù)十倍，蒸騰負(fù)壓是植物木質(zhì)部?jī)?nèi)水分長(zhǎng)距離輸運(yùn)的動(dòng)力。本文提出的葉片仿生結(jié)構(gòu)能模擬葉片氣孔蒸騰，其結(jié)構(gòu)包括葉表皮細(xì)胞等價(jià)層和葉肉細(xì)胞等價(jià)層。本文研制的仿葉結(jié)構(gòu)微泵以葉片仿生結(jié)構(gòu)為主體，微泵流量與葉片仿生結(jié)構(gòu)蒸發(fā)速率相等，受微孔和環(huán)境

3、因素影響。仿葉結(jié)構(gòu)微泵液體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以葉片仿生結(jié)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)核心，以微流控芯片為工作負(fù)載。
　　本文研究了葉片仿生結(jié)構(gòu)的微孔蒸發(fā)特性，揭示了葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率與其葉表皮細(xì)胞等價(jià)層上微孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為微孔陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率受微孔形狀、尺寸及分布影響。建立了橢圓形微孔蒸發(fā)速率計(jì)算仿真模型，得到了微孔開口面的蒸汽擴(kuò)散特征，定量評(píng)價(jià)了微孔尺寸及分布對(duì)微孔蒸發(fā)速率的影響。建立了裂縫形微孔蒸發(fā)速率的參數(shù)化計(jì)算

4、模型，研究了尖角角度對(duì)微孔蒸發(fā)速率影響。設(shè)計(jì)制作了具有微孔陣列的葉片仿生器件，對(duì)以上模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)值與理論值具有一致性:對(duì)微孔陣列而言，單孔面積一定、分布面積一定時(shí)，相鄰孔間距倍率越小，尖角角度越小，葉片仿生結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)速率越高，葉片仿生器件的流量越大。
　　本文以葉片仿生結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，研制了一種流量可調(diào)的仿葉結(jié)構(gòu)微泵，研究了微孔陣列開孔率、環(huán)境溫濕度對(duì)該微泵流量的影響。該微泵采用SU-8負(fù)膠微孔膜作為葉表皮細(xì)胞等價(jià)層，

5、微孔膜上具有孔間距倍率為3、尖角為40°的裂縫形微孔陣列;采用瓊脂糖凝膠作為葉肉細(xì)胞等價(jià)層;微泵流量調(diào)節(jié)由齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制微孔的遮蓋數(shù)量實(shí)現(xiàn)。利用微泵工作平臺(tái)研究了微孔陣列開孔率與微泵流量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:微孔陣列的開孔率與微泵的流量近似呈線性關(guān)系。設(shè)計(jì)了溫濕度控制裝置，研究了溫度和濕度變化對(duì)該微泵流量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:仿葉結(jié)構(gòu)微泵的流量隨溫度下降或濕度上升而減小，常溫下流量對(duì)濕度變化的響應(yīng)不明顯。
　　本文驗(yàn)證了仿