基于微流控芯片的液滴生成方法与技术研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201331205006河北工业大学硕士学位论文基于微流控芯片的液滴生成方法与技术研究论文作者：张浩学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：仪器仪表工程指导教师：张思祥职称：教授资助基金项目：河北省青年基金项目(项目编号：B2014202260)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofInstrumentandMeterEngineeringRESEARCHOFDR

2、OPLETGENERATIONMETHODANDTECHNOLOGYINMICROFLUIDICCHIPByZhangHaoSupervisor:ProfessorZhangSixiangMay2016ThisworksupportedbyHebeiYouthFund(ProjectID:B2014202260)原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学

3、位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后

4、适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要利用微流控芯片生成微液滴是微流控技术研究的一个重要分支，它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技术，该技术具有样品消耗量少、反应快、传质传热效果好、无交叉污染等优点，是微流控技术的研究热点。应用领域包括酶动力学方面、蛋白质结晶、微粒合成、药物运输、生物PCR技术以及疾病的检测等。微流控芯片是液滴生成技术的基础，因此研究开发用于生成液滴的微流控芯片具有非常重要的意义。首先，综述了微流控芯片以及液滴生成的研究现状，阐述了两相流流型及影

5、响因素，分析了两相流中液滴生成的基本原理，包括无量纲参数，液滴流阻的计算，Marangoni效应等。介绍了T形通道、十字形通道和阵列式芯片的液滴生成机理。此外，还对微液滴生成过程及影响因素做了研究。其次，在理论分析的基础之上开发出三种用于液滴生成的微流控芯片：一种十字形通道微流控芯片和两种阵列式微流控芯片。其中十字形通道是在经典基础上进行改进，主通道的交叉处设计为细口，便于控制液滴的大小和生成速度。两种阵列式芯片生成液滴的原理类似，生成的液滴并非完全的水包油或者是油包水，而是充分利用芯片的小坑或空心

6、圆柱结构，然后用油将水封于其中，被封住的水则为液滴。之后用光刻法成功制作了用于液滴生成的三种微流控芯片，并对三者进行了表面修饰。最后，对三种微流控芯片液滴生成过程进行了仿真和实验验证。用COMSOL软件建立三种芯片的液滴生成模型，并对三种芯片液滴生成过程进行了仿真。搭建了实验平台，分别用三种芯片进行液滴生成实验，成功生成了液滴并与仿真结果一致。对十字形通道微流控芯片中两相流速与液滴大小关系和添加表面活性剂对液滴生成的影响进行了实验分析；又实验分析了第一种阵列式芯片小坑大小对液滴生成的影响；最后实验分

7、析了两种阵列式芯片表面亲水性修饰对液滴生成的影响，以上实验分析与仿真结果对比并一致，有效验证了理论与仿真研究的正确性。关键字：微流控阵列式微流控芯片十字形通道微液滴IABSTRACTDropletgenerationbymicrofluidicchipisanimportantbranchofmicrofluidicresearch,whichdevelopesintoanewtechnologytomanipulatetinyvolumesofliquidinrecentyears.Asarese

8、archfocusofmicrofluidictechnology,ithasmanyadvantages,suchaslesssampleconsumption,quickreaction,goodheatandmasstransfereffects,andnocross-contamination,etc..Dropletmicrofluidictechnologycanbeappliedtothefieldofenzymekinetics,proteincrys