微流體隔離泵送和微流體次序流動系統(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在疾病即時診斷和環(huán)境監(jiān)測等領域具有巨大應用潛力，但目前微流體技術還無法很好的解決液體次序流動芯片及平臺的通用性和可控性差、容易出現(xiàn)氣泡等問題。本論文針對微流體分子診斷(Microfluidic molecular diagnostic)中的液體次序流動和控制提出一種新型微流體負壓驅(qū)動泵送技術，研究一種新型核酸與蛋白質(zhì)測定次序流動控制通用平臺，實現(xiàn)不同形式的多樣本、多過程的流體泵送控制

2、，從而促進和推動微流體疾病即時診斷相關產(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，通過負壓驅(qū)動進行泵送時易產(chǎn)生影響微流體芯片正常功能的無用空氣氣泡。本文研究負壓流動中PDMS流道內(nèi)無用氣泡生成和長大機理，基于PDMS的表面斥水性和流道結構特性，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耦合數(shù)學模型，對氣泡在形成后的體積變化

3、過程進行數(shù)值仿真分析和實驗驗證，對氣泡變化過程中氣泡長大速率特性進行分析，研究氣泡平均變化速率與關鍵影響參數(shù)之間的關系。
　　在微流道內(nèi)氣泡產(chǎn)生和變化機理研究基礎上，本論文提出一種負壓驅(qū)動的微流體液體隔離泵送技術。利用PDMS材料的選擇透過特性，將被泵送液體與負壓驅(qū)動氣源隔離，依靠通道之間空氣擴散引起的流道壓力變化進行液體泵送，從根本上避免了液體流動時流道內(nèi)無用氣泡的形成，并且實現(xiàn)了封閉流道結構內(nèi)的液體泵送。本文對該微泵技術的液體

4、流動過程進行數(shù)學模型的研究和仿真計算對比，分析關鍵過程特性和設計參數(shù)；對該微泵技術進行實驗研究，得出液體泵送速率與設計參數(shù)之間的定量關系；為擴大應用領域，在該微泵上集成手指薄膜泵，開發(fā)可以脫離外部能源支持、進行獨立操作的微流體泵送技術。
　　處于同一平面的液體流道與負壓氣體通道之間無法實現(xiàn)相互交叉的立體結構關系，無法集成多層結構的控制模塊。本文提出多層復合結構液體隔離泵送技術，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、置于不同平面結構上，兩者之間通過透氣硅膠薄膜隔離，并在片上集成微閥等立體控制結構。本文對復合結構芯片的快速、低成本制備方法進行研究，在更短的時間內(nèi)將芯片設計轉(zhuǎn)化制備成為復合結構微流體芯片，提高測試和優(yōu)化效率。
　　本文設計具有無氣泡、高可控性、通用性、自動化等特點的微流體次序流動與控制平臺，并對不同類型的微流體次序流動芯片進行研究。本文在復合結構微流體芯片上集成一定數(shù)目的氣動薄膜微閥，使負壓驅(qū)動氣體同時對液體泵送和回路控制進行操作