【摘要】：開放式液滴微流控技術(shù)(Droplet-based Open Microfluidics)是指通過在開放式微流控芯片上操控具有微小體積的離散態(tài)液滴實現(xiàn)某些特定功能的一種微流控技術(shù)。相比于通道式液滴微流控,開放式液滴微流控系統(tǒng)中的液滴反應(yīng)單元是在開放環(huán)境中實現(xiàn)運輸、分離、混合和反應(yīng)等過程,使得該技術(shù)更便于線上分析,與各類傳感、檢測、控制技術(shù)的兼容性好,同時還具有重構(gòu)性好,可避免交叉污染等優(yōu)點。近年來,光學(xué)技術(shù)與液滴微流控技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了一種新的液滴操控方式——光操控液滴技術(shù)。該技術(shù)以光作為激勵信號,利用光與流體之間的相互作用,實現(xiàn)對液滴的操控,具有控制手段的多樣化、高精確度、靶向性強、非接觸式等優(yōu)點,避免了此前控制方式所面臨的控制系統(tǒng)復(fù)雜、運行環(huán)境要求高和系統(tǒng)功能易損壞等問題。基于光熱效應(yīng)的操控方式是光控液滴技術(shù)的一個重要分支,且在液滴操控中已經(jīng)得到一定應(yīng)用。雖然光熱效應(yīng)已被成功應(yīng)用于液滴微流控技術(shù)中,并實現(xiàn)了各種功能,但是仍然存在大量科學(xué)問題亟待研究。特別是在開放式液滴微流控技術(shù)中,往往會利用到超疏水基底材料以降低流阻,減小控制過程所要克服的液固粘附力,同時還伴隨著相變。而光熱效應(yīng)致超疏水表面液滴相變及超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)的影響機制還不明晰。因此本文提出了基于光熱效應(yīng)的超疏水表面液滴相變及運動特性的研究。在論文中,首先采用多種方法制備超疏水表面,并對所制得的表面進行疏水性、可靠性、適用性和可控性進行比對研究,選取性能最佳表面作為后續(xù)實驗用基底;在所選用基底表面進行基于光熱效應(yīng)的液滴相變實驗,通過可視化實驗方法獲得該過程動態(tài)特征,并研究表面微觀結(jié)構(gòu)對液滴相變動態(tài)特性的影響規(guī)律;最后,基于以上實驗結(jié)果,設(shè)計合適超疏水表面,采用光熱操控方式實現(xiàn)液滴彈跳,對其機理和規(guī)律進行分析。主要研究結(jié)果如下:(1)采用超疏水商業(yè)涂料方法、PDMS灼燒煙霧沉積法、激光蝕刻法、金屬腐蝕法以及在表面構(gòu)建微柱陣列結(jié)構(gòu)等方法制備超疏水表面。對所得的超疏水表面進行接觸角和滾動角測量、表面微觀結(jié)構(gòu)表征以及機械強度測試等,分析并對比了各個表面的疏水性、可靠性、適用性以及可控性,發(fā)現(xiàn)具有微柱陣列結(jié)構(gòu)的PTFE超疏水表面的綜合性能最佳。(2)在具有微柱陣列結(jié)構(gòu)的PTFE表面進行了基于光熱效應(yīng)的超疏水表面液滴相變實驗,發(fā)現(xiàn)相比于光滑表面,液滴在局部熱源作用下相變過程中呈現(xiàn)出更為強烈的接觸直徑擴張趨勢,且由于微柱“釘扎”作用,接觸直徑在相變過程中沒有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。通過研究液滴在不同幾何結(jié)構(gòu)微柱陣列表面上相變特性,獲得了微柱幾何結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對相變過程及界面行為的影響規(guī)律:減小微柱邊長、增大微柱高度或微柱間距時,表面空氣凹槽結(jié)構(gòu)面積比例提高,相同加熱工況下,冷凝對液滴潤濕狀態(tài)改變效果降低,液滴相變過程接觸直徑擴張距離減小,液滴高度、接觸角和表面溫度隨之增大。(3)在上述實驗研究基礎(chǔ)上,設(shè)計了適用于液滴彈跳控制的微柱陣列PTFE超疏水基底,并對基底疏水性進行了校驗與改進。在改進后的超疏基底上構(gòu)建了氣孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)我褐糜跉饪咨?通過光熱效應(yīng)液滴蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔內(nèi)部蒸汽壓累積,實現(xiàn)液滴可控彈跳。通過改變氣孔尺寸,獲得了氣孔直徑和深度對液滴起彈時間、起彈液滴體積以及彈跳速度的影響規(guī)律以及激光功率對液滴彈跳的影響規(guī)律。
【圖文】：

圖 1.1 微流控芯片[18]Fig 1.1Avariety of microfluidic chips.[18]控芯片發(fā)展史芯片技術(shù)發(fā)展歷程如圖 1.2 所示，其最早可以追溯到 20 提出了間斷式連續(xù)流動技術(shù)（Segmented Continuous F分析化學(xué)實驗轉(zhuǎn)移到了流體管道中進行[19]，，為分析化學(xué)。在此基礎(chǔ)上，70 年代，兩位美國科學(xué)家提出了流動注alysis, FIA）的概念，意在實現(xiàn)分析系統(tǒng)微型化。在 1979 一概念變?yōu)榱爽F(xiàn)實，制造出了世界上第一臺微流控設(shè)備了快速發(fā)展的道路。直到 1990 年，微流控芯片技術(shù)這一者 Manz 與 Widmer 提出，當(dāng)時主要強調(diào)了分析系統(tǒng)的“微 加工方法；之后他們采用微機電加工技術(shù)在平板上蝕刻泳與流動注射分析，進而將該技術(shù)定位為厚度不超過 5 方厘米的芯片[20]。在此之后，不同領(lǐng)域的學(xué)者開始關(guān)注與

1 緒 論片研究的公司 Caliper Technologies 于美國成立，集資近千萬美元。1996 年 Mathies等人將聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）擴增與毛細(xì)管電泳集成到了一起[23]，97 年他們又實現(xiàn)了多通道毛細(xì)管電泳 DNA 測序，這一系列的突破向人們展現(xiàn)了微流控技術(shù)的巨大潛力，為其實際應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。1999 年惠普公司（現(xiàn)名 Agilent）與 CaliperTechnologies 聯(lián)合推出了第一臺微流控芯片商品化儀器[24]，并在歐美進行銷售，如今他們已可以提供用于核酸和蛋白質(zhì)分析的多種芯片。2002 年，Science 雜志上刊登了一篇關(guān)于集成微流控芯片的文章[25]，標(biāo)志著微流控芯片技術(shù)開始步入成熟階段。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN492

【參考文獻】

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1 葉淋泉;吳清實;戴思敏;肖志良;張博;;基于液滴微流控接口的高效液相色譜-毛細(xì)管電泳二維分離平臺初探[J];色譜;2011年09期

2 錢柏太;沈自求;;控制表面氧化法制備超疏水CuO納米花膜[J];無機材料學(xué)報;2006年03期

3 楊蕊,鄒明強,冀偉,牟穎,金欽漢;微流控芯片分析系統(tǒng)的最新研究進展[J];生命科學(xué)儀器;2004年06期

4 江雷;從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J];化工進展;2003年12期

本文編號：2636576