【摘要】：數(shù)字流體(液滴)是微流分析系統(tǒng)中的重要操控對(duì)象,用于裝載或包封DNA分子、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、病毒、毒品、生物微粒等生化分析目標(biāo)物,是生化技術(shù)中微反應(yīng)器,即生化反應(yīng)的場(chǎng)所。數(shù)字微流體(液滴)破裂不僅可以將尺寸較大液滴破裂為尺寸較小微液滴,而且可以實(shí)現(xiàn)液滴內(nèi)溶液濃度控制,在DNA分析、蛋白質(zhì)分析、細(xì)胞分析、毒品檢測(cè)及生物微粒富集、目標(biāo)生物微粒分選等得到應(yīng)用。壓電器件由于工藝成熟、簡(jiǎn)單,微流操作能力強(qiáng)等特點(diǎn),應(yīng)用于微流分析系統(tǒng)中,并得到快速發(fā)展,因此,壓電基片上微流分析系統(tǒng)已經(jīng)成為微流控學(xué)中重要分支,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。壓電基片上液滴破裂是壓電微流分析系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)操作,但傳統(tǒng)的連續(xù)電信號(hào)作用于叉指換能器,激發(fā)強(qiáng)聲表面波使液滴飛逸實(shí)現(xiàn)微液滴破裂方法需要較大的電信號(hào)功率,限制了其在壓電微流分析系統(tǒng)中應(yīng)用,有待改進(jìn)。此外,微通道內(nèi)液滴破裂后也存在子夜滴體積比不能靈活調(diào)節(jié)的問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題,提出了壓電基片上微通道內(nèi)微液滴和開(kāi)放平面壓電基片上液滴破裂方法,并設(shè)計(jì)了三種基于聲表面波微液滴破裂器件。所開(kāi)展的工作和取得的成果主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1針對(duì)微流器件中微通道內(nèi)微液滴破裂時(shí)子液滴體積比調(diào)節(jié)較為困難問(wèn)題,提出了聲表面波結(jié)合微通道內(nèi)PVC薄片分叉子通道,實(shí)現(xiàn)壓電基片上微通道內(nèi)液滴破裂后子液滴的體積比靈活可調(diào),即體積比可控破裂器。詳細(xì)設(shè)計(jì)了壓電器件上叉指換能器的參數(shù),并采用微電子工藝在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻叉指換能器,將模鑄法制作的微通道(PDMS)及PVC分叉的子通道貼合于壓電基片上,構(gòu)建了壓電基片上微流體破裂器件。在叉指換能器上施加電信號(hào),其激發(fā)的聲表面波調(diào)節(jié)待破裂微液滴在微通道寬度方向上位置,當(dāng)液滴在油相流體攜帶下流過(guò)PVC薄片,將液滴破裂為兩個(gè)子液滴。為阻礙破裂后子液滴再度融合,在分叉通道一側(cè)設(shè)計(jì)阻流條,使得破裂后子液滴在兩子通道內(nèi)流速不一致。以石蠟油為連續(xù)相,紅墨水溶液微液滴為離散相進(jìn)行液滴破裂實(shí)驗(yàn),成功地實(shí)現(xiàn)了聲表面波作用下破裂后子液滴體積比為0.92和1.43。2為克服傳統(tǒng)的連續(xù)聲表面波破裂壓電基片上微液滴需要電信號(hào)功率較大的缺點(diǎn),提出了瞬間降低電信號(hào)功率方法破裂壓電基片上微液滴,提出了微功耗破裂器件。在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻中心頻率為27.5 MHz叉指換能器,在叉指換能器上施加一定功率的電信號(hào),壓電基片上微液滴在聲表面波作用下發(fā)生形變,瞬間降低該電信號(hào)功率,液滴下部由于重力和基片間表面張力作用保持原狀態(tài),液滴上部由于聲表面波流力的慣性作用逸出液滴而發(fā)生破裂。研究了液滴破裂的動(dòng)力學(xué)特性;以紅墨水溶液微液滴為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,驗(yàn)證了所提出液滴破裂方法的正確性,當(dāng)電信號(hào)功率從12.3 dBm瞬間降低到-3.98 dBm,4 μl液滴可連續(xù)多次發(fā)生破裂。3復(fù)雜的生化分析系統(tǒng)往往需要質(zhì)荷多基片間精確輸運(yùn),提出了壓電基片上球珠輔助實(shí)現(xiàn)液滴破裂方法,在垂向輸運(yùn)高度精確可控同時(shí)實(shí)現(xiàn)液滴破裂。在128°YX-LiNbO3壓電基片上光刻叉指換能器,其上施加電信號(hào),激發(fā)的聲表面波驅(qū)動(dòng)液滴沿球珠表面輸運(yùn),到達(dá)球珠頂部后,在足夠的聲表面波流力下,頂部液滴發(fā)生破裂,實(shí)現(xiàn)基片空間垂向輸運(yùn)。對(duì)液滴受力特性進(jìn)行分析,并研究了液滴空間輸運(yùn)的力學(xué)條件;推導(dǎo)了液滴球珠表面輸運(yùn)的臨界體積。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了5μl紅色墨水溶液微液滴在30.8 dBm的電信號(hào)作用下可以沿2 mm直徑的球珠表面輸運(yùn)并成功破裂。另外,作為所提出的基于聲表面波液滴破裂方法的應(yīng)用,將自行研制的聲表面波液滴破裂器件應(yīng)用于不同性質(zhì)微液滴物理混合及化學(xué)顯色反應(yīng)。
【圖文】：

正十六環(huán)烷為連續(xù)相，水液滴為分散相，利用微通道尺寸特點(diǎn)無(wú)源地將體積較大逡逑的分散相水液滴破裂為體積相對(duì)較小的子液滴。微通道內(nèi)液滴破裂結(jié)構(gòu)示意圖如逡逑圖１－１所示。逡逑（ａ）］邋ＩｋｂＪ邋Ｈ＊邋ＩＮ邋ｆｒ＿ＩＮ：邋＃邋：逡逑１０＂ｉ邋；ｊ｜｜逡逑邐ＨＨ逡逑圖１－１邋Ｔ型結(jié)液滴無(wú)源破裂結(jié)構(gòu)示意圖，（ａ）Ｔ型結(jié)液滴破裂示意圖，（ｂ）－（ｄ）不同通道長(zhǎng)度逡逑比下微流體破裂逡逑Ｔ型結(jié)無(wú)源破裂方法微液滴能否破裂決定于微通道內(nèi)連續(xù)相流體流速和離逡逑散相微液滴體積大小，達(dá)到一定臨界值后，，分散相液滴發(fā)生破裂。液滴破裂后在逡逑兩分支通道的子液滴體積與分支通道長(zhǎng)度有關(guān)，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圖１－１中分逡逑支通道長(zhǎng)度／，和／２，改變破裂后子液滴體積，在足夠大的離散相母液滴尺寸下，逡逑破裂后兩子液滴體積比正比于分支通道長(zhǎng)度比／，／／２［１５］，但器件一經(jīng)制作完成，破逡逑裂后子液滴的體積比不易調(diào)節(jié)。邐３逡逑Ｊｕｌｌｉｅｎ［ｌ６］在Ｄ．ＲNｉｎｋ工作基礎(chǔ)上，將分散相液滴通過(guò)Ｔ型結(jié)流動(dòng)然后破裂逡逑歸納為典型的三種流動(dòng)模式，即不破裂模式、帶間隙破裂模式和液滴始終阻塞流逡逑體破裂模式

Ｐ￡．，％分別為連續(xù)相和離散相容積流率、連續(xù)相流體密度、表面逡逑張力和微通道寬度。逡逑所研究的微流器件和所要破裂的液滴尺寸如圖１－２所示。逡逑ｎ逡逑ｗｎｉｕｍｒｉｎ邋ｍ邋ｎｉ？邋．邋．邐．邋．邋．ｔ逡逑Ｆｌｏｗ邋４ｆｆ？ｃｔｉ０ｉｉ邋＂邐■邐４００逡逑圖１－２邋Ｔ型結(jié)和所要破裂的液滴尺寸逡逑為詳細(xì)揭示微通道內(nèi)離散相液滴破裂過(guò)程機(jī)理，將液滴破裂過(guò)程分為四個(gè)階逡逑段：擠壓、形變、交錯(cuò)斷裂和線斷裂階段。實(shí)驗(yàn)和理論分析各階段遵循的破裂規(guī)逡逑律和所受的力，結(jié)果如表ｉ－ｉ所示。逡逑表ｉ－ｉ中，《，．（，．＝１＞２３）代表不同階段變量，其值與連續(xù)相和離散相兩相流體粘逡逑性比、連續(xù)相毛細(xì)管數(shù)和無(wú)量綱液滴長(zhǎng)度（（／％）有關(guān)。表ｉ－ｉ中所涉及的各逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN65

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本文編號(hào)：2600569