微流控芯片快速混合器及其应用研究

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1、分类号学号D201177415学校代码10487密级博士学位论文微流控芯片快速混合器及其应用研究学位申请人：刘超学科专业：生物医学工程指导教师：刘笔锋教授答辩日期：2016年2月20日DissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorinBiomedicalEngineeringDevelopmentandApplicationofRapidMixerbasedonMicrofluidicChipCandidate

2、:LiuChaoMajor:BiomedicalEngineeringSupervisor:Prof.LiuBi-FengHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaFeb,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意

3、识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入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和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要快速

4、混合技术能够促进分子迅速接触，从而促发生化反应的进行，被广泛应用于生物大分子折叠动力学、酶反应动力学、聚合物合成、纳米颗粒合成等研究领域内。伴随微流控芯片技术的发展，微混合器逐渐成为实现溶液快速混合的主要方法之一。通过微通道结构设计或外部能量引入的方式，研究者们将混合死时间减少到了毫秒甚至微秒级水平。人们根据不同需求设计不同类型的微混合器，使其成为了微全分析和化学合成领域中的重要工具。发展至今，微混合器在缩短混合时间和降低样品消耗上取得了重大进步。然而，微混合器依然存在高粘度溶液混合难度大，非连续流混合器中溶液污染，主

5、动混合器加工复杂、操作复杂等诸多问题，限制了微混合器的应用。因此，微流控芯片混合器需要呈现多元化发展，从而满足科学实验的不同需求。本文针对高粘度溶液混合、非连续流混合和主动混合方式设计了三种快速微混合器。主要研究结果如下：首先，针对高粘度溶液混合，我们设计了一种三维结构的微混合器。该混合器由三个重复单元构成，每个单元包含一个较窄的“U”型通道和一个较宽并具备双倍高度的混合腔室构成。通过“U”型通道产生Dean流，促使溶液发生交叉流动；当流体流入宽度和高度迅速扩展的混合腔室后，由于压强迅速变化而产生了三维漩涡流。计算流体

6、力学模拟和荧光素混合实验证明，经过122.4μs的混合死时间，水溶液与80%PEG200溶液（粘度为35.25mPa∙s）混合均匀。最后，我们通过标记有FRET荧光探针的人类端粒DNA序列的复性实验，观测到了G四聚体在分子拥挤环境中的折叠动力学过程，并发现了其在150-550μs内折叠动力学新过程，证实了5’端未成键序列对四聚体折叠速率的抑制效应。其次，针对非连续流微混合器，我们设计了稳定的气液两相液栓微混合器。通过构建气路进样装置、材料表面改性和芯片通道的合理设计，我们在PDMS芯片内设计了用于水溶液混合的液栓微混合

7、器。注射泵将三路流体以3μL/min流速注入芯片通道内，通过减压阀将恒定气压氮气通入芯片内，在芯片内“T”型结构处形成稳定液I华中科技大学博士学位论文栓，其水溶液流经蜿蜒通道后，于1.71ms内混合均匀，不存在弥散效应。我们通过辣根过氧化物酶催化鲁米诺化学发光的反应，检测了其化学发光过程，证明了该气液两相液栓混合器能够适用于含有复杂反应物的生化反应过程监测和生化定量分析。最后，鉴于超声微束流被动混合器中气泡捕获的难题，我们进一步发展了气液两相液栓声微束流混合器。通过前文构建的气液两相液栓微混合器平台，将超声发生装置与其

8、整合。我们通过函数发生器输出一定频率与电压的方波信号，利用压电转换器将其转换为声波信号，使其沿芯片基底玻璃表面传播。我们在微通道内，发现了气液通道交汇处气液界面产生声微束流这一新的方法。通过引入气液两相液栓流，不仅使其能够连续存在稳定气液界面，而且液栓的扰动加速了流体混合，另外还消除了连续流弥散效应。加入一定频率的超声后，两股质量