液滴微流控的实验应用和理论研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文液滴微流控的实验应用和理论研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：吴平工程热物理王建华教授何立群副教授二零一四年五月一日¨UniversityofScienceandTechnologyofChinanversItvenceancleClqnoloclvAdissertationfordoctor’SdegreeExperimentsandTheoriesofDroplet·-BasedMicrofluidicsAutllor’SName：PingWuSpeciality：EngineeringofThermo

2、lPhysicsSupervisor：Profs．JianhuaWangandLiqunHeFinishedtime：May10，20144中国科学技术大学学位论文原创性声明本人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。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：!!竺：!鱼：!甲中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用

3、权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。⋯轹耳一⋯：鲤}签字日期：型!缝．立6．垒≯签字日期：丝坚二-垃6摘要本文首先概述了微流控芯片的发展历史，介绍了本实验室关于微流控芯片的简易制作过程，基于该简易光刻方法，我们制作了各种各样的PDMS芯片并开展了一些常见的应用。微流控芯片带动了微米尺度

4、的液滴在生物分析，微反应器等应用方面的迅猛发展，本文的重点工作即是和液滴微流控相关。在实验部分，我们]用PDMS的flow-focusing芯片和极易拆卸／组装的商业化毛细接头制作出高度分散的微乳液，并采用这两种类型的装置实现了液滴的再次分裂，以期得到尺寸更小，体积浓度更高的微液滴。本文在实验部分还介绍了多重乳液包裹的一些技术，指出使用串联的毛细接头会更便捷的达到液滴包裹的目的。细胞包裹技术在本文中也有尝试，并将继续探索既能保证严格单细胞的同时又能提高包裹率。液滴在连续相流体的输运过程中难免会有管道截面的突变，本文用实验方法详细绘制了液滴在流

5、经突窄的小截面时的分裂相图，指出在高毛细数和韦伯数流动条件下，液滴分裂变得更容易。我们在理论部分尝试探究聚焦流中液滴断裂机理。根据管内充分发展流动假设，我们首先用流量比推导了thread的尺寸面，硝的计算是理论分析出发点。对于在小孔出口处的断裂，认为液滴的生长膨胀过程类似于同轴流，绝大部分时间内thread的尺寸保持不变，直到使液滴脱离的粘性力和阻止液滴脱离的界面张力力平衡时，液滴才开始断裂，当然这其中也考虑到了分散相本身流量对液滴生长过程的贡献。对于在小孔入口处的断裂，我们认为两相之间的Laplace压强和两相各自的沿程压降之间的关系会扮演

6、更重要的角色，并提出了液滴在小孔入口处断裂的条件。三维柱状thread由于其独特的曲面结构决定了其更容易产生不稳定现象，液滴的断裂过程也比二维情况的要快一些。在数值模拟部分，我们用VOF方法模拟了同轴流和T型剪切流中的液滴生成过程，详细研究了各个流动和物性参数对液滴生成过程的影响。我们对flow—focusing通道产生液滴过程的压力情况进行了详细分析，以其观测实验无法摘要观测到的流动参数。我们对双重乳液包裹以及液滴的再次分裂行为也进行了VOF模拟，并对VOF模拟中网格和误差的关系进行了探索。在最后我们还简单介绍了利用有限元数值软件COMSO

7、L中用Levelset模拟了液滴的生成，指出了在模拟过程中保证Levelset方法的守恒性是非常重要的。本文最后简要介绍了我们在微流控芯片其他领域的一些探索，包括了微流控加强混合措施，微流控血液检测和分离，微流控无膜燃料电池等等。关键词：液滴，微流控，包裹，断裂，thread。flow-focusing，VOFAbstractWestartthisthesiswiththeoverviewofrapiddevelopmentofmicrofluidics．nlesimplestsoft-lithographymethodbasedonapor

8、tableUVLED，whichmaygreatlydecreasesthefabricationcostofPDMSchips，isintroducedhere．