微流控芯片中電滲流輸運特性研究.pdf

1、微流控芯片是一種新型的微全分析系統(tǒng)，可用于分析化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的分析和檢測，具有試劑用量少、分析速度快和成本低等優(yōu)點。本文在對國內(nèi)外微流控芯片發(fā)展概況和存在問題進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)上，針對微流控芯片在加工和應(yīng)用中存在的表面效應(yīng)等問題，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，對微流控芯片中的電滲流輸運規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文完成的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下： 1、研究了微流控中存在的動電現(xiàn)象和微流體的常用驅(qū)動與控制

2、機(jī)理，基于多物理場耦合特征，提出了電動微流體的總體研究方案，分析了微流控芯片中的一般數(shù)學(xué)模型，采用有限元方法( FEM)離散控制方程，推導(dǎo)了雙電層電場Poisson-Boltzmann方程、外加應(yīng)用電場Laplace方程及電滲流場Navier-Stokes方程等的求解步驟，為全文的理論分析和數(shù)值模擬確定了具體的研究路線。 2、在光滑微通道電滲流(EOF)特性的基礎(chǔ)上，采用基于FEM的COMSOL軟件，模擬了具有矩形、三角形、正

3、弦和準(zhǔn)分形粗糙表面的微通道EOF，對微通道近壁區(qū)、主流區(qū)分別進(jìn)行了分析。研究表明，在近壁區(qū)，粗糙表面會導(dǎo)致EOF速度出現(xiàn)局部極大值：在主流區(qū)，當(dāng)粗糙度在微米范圍以內(nèi)時，主流EOF速度基本保持不變；整體范圍內(nèi)，EOF速度會隨著粗糙度的增大而非線性降低，當(dāng)粗糙元高度接近0.3倍EDL厚度時，EOF速度受到粗糙度影響最大。該結(jié)果揭示了粗糙結(jié)構(gòu)對EOF的影響機(jī)理，對于微流動的摩擦研究具有指導(dǎo)意義。 3、對疏水和親水表面微通道內(nèi)的EOF

4、進(jìn)行了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，研究表明，親水表面與疏水表面光滑微通道相同，EOF的穩(wěn)態(tài)時間尺度在毫秒量級，其大小與微通道高度的平方成正比，EOF速度與電場強(qiáng)度成正比；隨著溶液濃度的增大，疏水表面較親水表面微通道EOF速度增大明顯。該結(jié)果對于提高疏水表面微通道內(nèi)EOF控制精度有參考價值。 4、對光滑和粗糙表面的3D微流控芯片中的樣品傳輸、進(jìn)樣和分離過程進(jìn)行了系統(tǒng)級的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示表面粗糙度使樣品區(qū)帶增寬，出現(xiàn)峰面“拖尾”現(xiàn)象，提

5、出可以通過調(diào)節(jié)微通道內(nèi)的外加電壓場強(qiáng)分布加以解決。該結(jié)果對于提高粗糙表面微流控芯片中樣品分析的效率和精度有重要意義。 5、以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為材料，設(shè)計和制作了兩種PMMA微流控芯片，并測量了其表面形貌參數(shù)；基于電流監(jiān)測法原理，設(shè)計并組建了多通道EOF檢測實驗系統(tǒng)，采用虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)了檢測平臺；在此基礎(chǔ)上，完成了PMMA微流控芯片內(nèi)流體流動的測試。 本文的理論分析、數(shù)值模擬和實驗結(jié)果吻合良