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微流控芯片上电渗流与压力流的动力学特性分析.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 微流控芯片功能的增多以及尺寸的不断减小导致芯片中的流体状态和性质变得越来越复杂。目前,模拟仿真和实验测量是研究微流控芯片的主要方法。其中模拟 仿真过程需要对所要研究的芯片建立模型,然后将动力学方程和边界条件加在模型上进行计算求解,得到动力学特性。实验中可以观察流体在微沟道中的运动情况,将观察的现象与模拟仿真结果进行对比和分析,从而优化微流 控 芯片的设计与制作。 本 文 首先介绍基于高分子聚合物 PMMA 和 PDMS 的微流控芯片的制作工艺流程和实验所用简易 Micro-PIV 系统的搭建。 PMMA 芯片的制作采用 模板热压法 ,选定热压温度为 120℃ ,压强为 6MPa,热压时间为 10 分钟 ; PDMS芯片采用 PMMA 二次模板浇铸 工艺 , 浇铸过程中,选定真空环境并保持温度为 65℃ ,时间为 50 分钟。 Micro-PIV 系统选定罗丹明 B 为示踪粒子,系统主要包括显微镜、滤光片、激发光源、 CCD、图像采集卡和计算机等 。 对 芯片上 变径沟道 进行了仿真分析和实验 研究,仿真 分析 中首先模拟了薄厚壁孔口中压力流的流型和其孔口出流特性,然后分析了入口速度和壁厚长度等对薄厚壁孔口出流速度的影响;实验中首先用搭建的 Micro-PIV 系统观察了微沟道中流体在层流和紊流下的状态,然后对不同入口速度下薄厚壁孔口的出流流量进行了测量 、 计算 获得 薄厚壁孔口的临界雷诺数 分别为 126 和 97.2。 在芯片上 十字沟道的研究中 ,主要仿真 分析 了十字交叉区域中压力 -电渗汇合流的形成和影响因素 ;又 根据仿真条件对十字沟道中的压力 -电渗汇合流现象进行了实验观察,与仿真结果进行比较。通过仿真和实验发现交叉区域的压力 -电渗汇合流受外加场强的影响较大,这为实验自制的十字型芯片中样品的进入与分离提供了指导。 关键词 压力流;电渗流;仿真模拟; Micro-PIV 系统 ;微流控芯片 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract As the increase of the microfluidic chip’s function and the decrease of its size, the flow state and characteristics in microfluidic chip have become more and more complex. At present, simulation and experiment have been the main ways of studying the microfluidic chip. Microfluidic chips are needed to build model in simulation course, then dynamic equation and boundary conditions are added to calculate the dynamics characteristics. The flow condition can be observed in experiment, and then the experimental phenomenon is compared with the results of simulation to optimize the design and facture of microfluidic chips. In this paper, the facture process of microfluidic chips based on PMMA and PDMS polymer and the building of Micro-PIV system were introduced. The PMMA template was made by hot-embossing template. The hot pressing temperature was 120℃ , with 6MPa pressure kept in 10 minutes. PDMS chips were moulded with PMMA two-time-template. During the process of moulding PDMS, the temperature was kept at 65℃ for 50 minutes. The Rhodamine B was selected as the trace particles in Micro-PIV system. The system includes the microscope, filter, light, CCD, image collection card and the computer etc. The experiment and the simulation were used to study the adjustable orifice channels. The pressure flow and the characteristics of the orifice flow were simulated in the simulation process. Then the effects to orifice flow velocity brought by the inlet velocity and thickness of the wall were analyzed; The flow state under laminar flow and turbulent flow state was observed using the Micro-PIV system. The critical Reynolds number of the thin/thick-walled orifice, which were measured at different inlet velocity, are 126 and 97.2, respectively. For the research of the cross-structure channel, the ation and the influence factors of the pressure-electroosmotic flow in cross regional were mainly studied in simulation process. According to the conditions of simulation, the phenomenon of the pressure-electroosmotic flow was observed and compared with the simulation results. It is found that electric field has a great effect on pressure-electroosmotic flow in cross regional, which provides guide for entrance and separation process of cross-structure channel. Keywords pressure flow, electroosmotic flow, simulation, Micro-PIV system,microfluidic chip 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 .................................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................. II 目 录 .............................................................................................................................. III 第 1 章 绪 论 ................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................ 1 1.2 微流控芯片的发展现状 ....................................................................................... 2 1.2.1 国外发展现状 ................................................................................................ 2 1.2.2 国内发展情况 ................................................................................................ 5 1.3 微流控芯片的驱动方式 ....................................................................................... 7 1.3.1 压力驱动 ........................................................................................................ 7 1.3.2 电渗驱动 ........................................................................................................ 8 1.3.3 其他驱动方式 ................................................................................................ 9 1.4 本课题研究的目的及主要内容 .......................................................................... 9 第 2 章 压力流与电渗流形成原理 ............................................................................. 11 2.1 压力流原理 .......................................................................................................... 11 2.1.1 机械微泵的分类 .......................................................................................... 11 2.1.2 基于孔口出流特性的无阀压电微泵 ........................................................ 12 2.2 电渗流原理 .......................................................................................................... 15 2.2.1 双电层形成原理 .......................................................................................... 15 2.2.2 双电层模型 .................................................................................................. 16 2.2.3 电渗流的产生 .............................................................................................. 18 2.2.4 电渗流的控制方程 ..................................................................................... 19 2.3 本章小 结 .............................................................................................................. 21 第 3 章 微流控芯片制作及 Micro-PIV 系统 ............................................................. 22 3.1 高分子聚合物材料 ............................................................................................. 22 3.2 芯片制作工艺流程 ............................................................................................. 23 3.2.1 清洗 ............................................................................................................... 23 3.2.2 热压 PMMA 模板 ........................................................................................ 23 3.2.3 浇铸 PDMS 膜 ............................................................................................. 24 3.2.4 键合 ............................................................................................................... 25 3.2.5 打孔 ............................................................................................................... 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.3 Micro-PIV 系统 .................................................................................................... 26 3.3.1 示踪粒子的选取 .......................................................................................... 26 3.3.2 Micro-PIV 系统的组成 ................................................................................ 27 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 30 第 4 章 薄厚壁微沟道中压力流特性 ......................................................................... 31 4.1 薄厚壁孔口微沟道结构 ..................................................................................... 31 4.2 薄厚壁孔口中压力流特性数值模拟 ............................................................... 31 4.2.1 物理模型 ...................................................................................................... 31 4.2.2 控制方程 ...................................................................................................... 32 4.2.3 边界条件及物性常数 ................................................................................. 33 4.2.4 数值仿真与分析 .......................................................................................... 33 4.3 薄厚壁孔口中压力流特性实验研究 ............................................................... 36 4.3.1 实验测试过程 .............................................................................................. 36 4.3.2 实验现象分析 .............................................................................................. 37 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 38 第 5 章 十字沟道中压力电渗汇合流特性 ................................................................. 40 5.1 十字沟道中的夹切进样过程 ............................................................................ 40 5.2 十字沟道中压力电渗汇合流特性数值模拟 ................................................... 41 5.2.1 物理模型 ...................................................................................................... 41 5.2.2 控制方程 ...................................................................................................... 42 5.2.3 边界条件及物性常数 ................................................................................. 42 5.2.4 数值仿真与分析 .......................................................................................... 43 5.3 十字沟道中压力电渗汇合流特性实验研究 ................................................... 46 5.3.1 实验测试过程 .............................................................................................. 47 5.3.2 实验现象分析 .............................................................................................. 47 5.4 本章小结 .............................................................................................................. 48 结 论 .............................................................................................................................. 49 参考文献 .......................................................................................................................... 51 攻读学位期间发表的学术论文 .................................................................................... 54 哈尔滨工业大 学学位论文原创性声明及使用授权说明 ......................................... 55 致 谢 .............................................................................................................................. 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1章 绪 论 1.1 课题背景 20 世纪 90 年代 初期 , Manz 首次提出了微全分析系统( Miniaturized Total Analysis System, μTAS)的概念 [1],而微流控芯片( microfluidic chip)是当前μTAS 研究的热点。微流控芯片的 目标是把整个实验室的功能集成到几平方厘米或更小的芯片上,包括采样 、稀释、添加试剂、反应、分离、检测等,所以也叫做 “ 芯片实验室 ” 。由于微流控芯片具有高效率、低功耗、高通量、低成本、易集成等优点,所以广泛应用于生命科学、临床医学、化学合成、新药筛选、作物优选、食品安全、环境检测、军事等领域,对科学和经济的发展有极其重要的推动作用。 随着微流控芯片功能的增多和尺寸的不断减小,研究芯片中的流体状态和性质变的越来越复杂。而且,关于微小尺度下流体的力学研究很少,对其中的一些现象还没有确定的理论来解释。从研究手段上来讲, 目前模拟仿真和实验测量是研究微流控芯片的主要方法。 模拟仿真对微流控芯片的制作和功能分析有重要的指导意义。主要是对所要研究的芯片结构建立模型,然后将流体动力学方程和边界条件加在模型上进行计算求解来分析模型中的动力学特性。模拟仿真方法可以利用模拟出的结果来指导芯片的设计、研究影响系统性能的主要因素、分析内部流体的控制机理,具有可重复性好、研究周期短等特点,而且方便研究条件的变化对芯片 性能 的影响。 粒子图像测速( Particle image velocimetry, PIV)技术是一种基于图像处理的流场分析技术, 而 Micro-PIV 技术是在 PIV 技术基础上发展起来主要研究微尺度结构流动现象的检测技术。可以将 Micro-PIV 技术应用在微流控芯片的研究和分析上,通过向芯片的液体中加入示踪粒子,利用摄像头和显微镜对沟道中的流体现象进行图像采集,然后通过图像处理技术来得到流场的性质。这种方法对芯片中的流场几乎没有影响,而且可以直接观察到芯片中流体的现象,能够实现对流场直接测试。 目前,国内外学者对单一驱动方式下的微流体动力学研究较多,而对混合驱动 方式 的研究却较少。本课题分别对变径沟道结构微流控芯片中的压力流和十字沟道结构 微流控芯片中的压力电渗汇合流的动力学特性进行了分析和研究,首先利用模拟仿真的方法计算了在不同条件时压力驱动和电渗驱动下芯片模型中流体的分布情况,然后利用实验室搭建的 Micro-PIV 系统对相应条件下哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 实际芯片中流场进行图像采集来得到流体的分布状态,将实验测得的数据和仿真得到的结果进行对比,分析两者之间的差异,为下一步微流控芯片的结构设计和性能改进提供基础和指导。 1.2 微流控芯片的发展现状 1.2.1 国外发展现状 Manz 和 Harrison 等人 [2]最早进行了关于微流控芯片电泳分离的研究工作,并于 1992 年首次发表了关于 毛细管电泳分离的文章,从此对微流控芯片的研究工作开展起来。 1993 年, Harrison 等人 [3]利用微机械 加工 技术在数平方厘米大小的玻璃基片上制作了一个化学分析系统,并研究了流体在电渗作用下的驱动和分离。从此以后,人们对微流控芯片的研究重点就主要放在基于电渗驱动和毛细管电泳分离的微系统上。 1994 年, Jacobson 等人 [4]利用平版印刷技术在玻璃衬底上湿法化学腐蚀出了一种蛇形沟道阵列,并使用直接键合技术密封沟道阵列得到微芯片。对样品的进样方式进行了改进,样品进入可以准确的控制而且和时间无关,从而能实现 定量的样品输入。 美国加州大学 Berkeley 分校的 Mathies 等人分别于 1995 年和 1997 年在微流控芯片上利用毛细管电泳原理对 DNA 进行了测序研究。实验表明,制作的毛细管电泳阵列芯片可以实现 DNA 序列的快速检测,同时对 12 种不同的样品进行分析所用 的 时间不超过 160 秒 [5,6]。 1998 年, Burns 等 [7]提出了一种用于分析 DNA 样品的集成系统,结构如图 1-1 所示。该系统将进样器、透镜、加热器、机械泵、荧光检测器等装置集成在一个芯片上,可以在低成本条件下实现复杂的、低功耗的、集成度高的分析系统,可以 广泛应用于医学和农业测试领域。 图 1-1 集成 DNA 分析系统结构图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 2002 年, Becker 等人 [8]对制作微流控芯片的材料进行了分析和对比。认为由于半导体加工业的发展和玻璃优良的表面性质使早期的微流控芯片制作主要集中在硅和玻璃等材料上,但由于成本的限制,基于聚合物材料的微流控芯片制造技术逐渐兴起。利用聚合物制作微流控芯片具有成本低、工艺简单等特点,而且可以根据所应用的领域来选择适合的聚合物材料。文中综述了基于聚合物微流控芯片的材料性质、制作方法、器件应用方向等内容,指出了微流控芯片制作材料的发展趋势。 2003 年, Weigl 等人 [9]对微流控芯片在生物和药物方面的应用进行了综述,认为第一代基于微流控芯片的分析仪器已经基本发展成熟,文中主要对微流体的概念、微加工技术、样品注入方式等进行了介绍和总结。 2004 年, Hisamoto 等人 [10]制作了一种新型微流控芯片,它能将各种化学功能都集成在一个微流控器件上。首先将具有化学功能的毛细管嵌入到聚二甲基硅氧烷( PDMS)材料的格型沟道网络结构中,然后再将该网状结构与PDMS 材料基板进行键合,从而制得这种电泳嵌入式芯片, 芯片的 结构如图1-2 所示。 图 1-2 电泳嵌入式芯片结构 2007 年, Chung 等人 [11]研究了一种仅在毛细管力作用下的微流控芯片,该芯片可以在没有外部装置控制的情况下自动地完场样品装入和替换,所以可以更好地减小芯片体积从而利于应用于生物分析等领域。为了能控制毛细管中的流体状态,根据理论研究和数值模拟设计了芯片中的沟道结构,并用模板法制作了实验的芯片,其模板制作步骤和芯片沟道结构如图 1-3 中所示。将制得的芯片用于生物分析酶催化反映,表现出了很好的特性。 同年 , Gross 等人 [12]介绍了微流控芯片在应用于神经系统研究方面的优点,对医学疾病和药物 方面的应用有很好的研究价值。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 图 1-3 毛细管力作用的微流控芯片制作步骤和结构 2008 年,多伦多大学的 Gao 等人 [13]利用动电效应控制的微流控芯片对人类血清中混杂的细菌抗体进行了测定。在测定的过程中,试剂的装入和清洗等过程在芯片的 ‘H’型沟道中由动电效应控制而自动完成。检测过程中,样品中的细菌抗体被微沟道底部的抗原捕获,同时产生荧光信号,从而完成细菌抗体的检测。该芯片具有较大的通量,可以在 22 分钟内同时完成十种样本的并行检测。 2009 年,美国华盛顿大学的 Fu 等人 [14]研制了一种用于小 分子物质检测的微流体测定系统。建立了一个简单的二维有限元模型来分析被分析物质的集结、流量比、初始表面密度、抗体含量等因素对测试系统灵敏度的影响。对系统灵敏度的分析可以用来确定系统的参数,并且可以通过调节这些参数来使该测试系统的灵敏度得以提高。 2011 年 , Garty 等人 [15]利用 FLOW-And-ShooT( FAST)技术设计了一种新型的微光束系统。在这个系统中,功能单元中的流体沿着微流控芯片中的交叉微光束沟道流动,然后对其使用高速摄像机拍摄并用单质子放射技术进行标记。这种 FAST 系统可以实现每小时高达 100000 单元的通过量,其中用来标记的测试单元微流控芯片照片如图 1-4 所示。 图 1-4 FAST 系统中用于测试的微流控芯片 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 同年, Kenyon 等人 [16]对基于微流控芯片的电泳分离技术进行了综述,主要介绍了近些年来在分离技术方面的一些新现象和理论概念,包括电泳集结、样本配置、片上分离等。 综上所述,从上世纪 90 年代微流控芯片概念的提出开始,微流控芯片的理论基础和制作工艺不断发展和改进。从开始的玻璃和硅基材料到现在的聚合物材料、从开始的简单沟道结构到现在复杂的沟道模型、从开始的单一功能到现在的多功能芯片 、从开始的大面积到现在的微小尺度结构,微流控芯片不断向低成本、易加工、多功能、集成度高的方向发展,而且应用的领域也不多增多,包括化学分析、生物实验、医学测试等。 1.2.2 国内发展情况 在国际大力发展微流控芯片的趋势下,近些年国内对微流控技术也越来越重视,并在研究的过程中取得了一定的成果。从国内学者在这方面发表的期刊文献来看,对微流控芯片的研究主要有制作材料、集成化技术和应用等几个方面。 对于微流控 芯片 的制作材料,开始的研究主要集中在玻璃基质上,后来由于聚合物材料的易加工和成本低等优点,微流控芯片的制作逐渐向基于聚 合物的方向发展。 2004 年,罗怡等人 [17]研究了一种在 SODA-LIME 玻璃上制作微流控芯片的方法,该方法较传统的玻璃材质微流控芯片可以降低生产成本并缩短生产周期; 2006 年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王彬等人[18]研究了基于 SU-8 负胶的微流体器件制作,其工艺示意图如图 1-5 所示 , 这种制作方法具有成本低、工艺简单、成品率高、易集成的特点; 2008 年,翁雪香等人 [19]以 PMMA 为材料成功实现了微流控芯片的简易热压制作。该方法利用采用外径为 180μm 的毛细管作为压制微通道的模具,不需要价格昂 贵的单晶硅阳模版,且避免了其易碎和脱模困难的缺点。 图 1-5 基于 SU-8 工艺的制作流程 图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 在微流控芯片的集成化方面,国内学者在这方面的研究主要集中在增加微流控系统的功能模块上。 2003 年,于建群等人 [20]对集成毛细管电泳芯片的结构和制作技术进行了研究,介绍了这种芯片的结构、制作工艺和发展过程,总结了集成化毛细管电泳芯片的特点,主要具有体积小、成本低、污染小、自动化、分析速度快、需要试剂少等优点; 2005 年,林金明等人 [21]对微流控芯片以及相关仪器集成化的研制进行了综述。其研究小组在微流控芯片的集 成化方面成果颇多,成功研制了 LUM-F 流动注射发光测试仪、 LUM-P 液相色谱柱后化学发光检测器、 LUM-2000 数据处理系统、 LTD-ChipCE 微流控芯片激光诱导荧光检测系统等基于微流控芯片的仪器。 目前,国内学者对微流控芯片的研究主要集中在其应用方面,由于微流控芯片制作工艺简单且成本低,所以具有很高的应用价值,目前在医学疾病和生物检测等方面应用的较多。 2003 年,中科院大连化学物理研究所 [22]研究了一种检测 SARS 病毒的微流控芯片实验室系统,该系统由 PCR-CE 芯片、热循环仪、荧光芯片分析仪和 RT-PCR 试剂盒组成,具有较好的分辨率、灵敏度、准确性和可靠性; 2006 年,张卫英 [23]等人研究了微流控芯片在乙型肝炎病毒基因型检测中的应用 , 文中应用微流控芯片及基因测序技术检测了 41 例乙型肝炎患者的病毒基因型,发现两种方法的检测结果一致,表明微流控芯片具有较高的特异性和灵敏度; 2009 年,杜晓光 [2
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