检索结果-内蒙古大学图书馆

微纳电子技术 2025年第1期62卷 1-12页

作者：陈卓金伟杨祥良杨海华中科技大学生命科学与技术学院国家纳米药物工程技术研究中心武汉430074 广纳达康(广州)生物科技有限公司广州510535

微流控系统因具有高集成度、高灵敏度以及高通量检测能力等优势,在微全分析系统、即时检验(POCT)等领域备受研究者关注,并在病毒流调筛查、疾病居家自测等大健康应用中崭露头角。在微流控系统中,微流体驱动是实现微流体输送和操控的关... 详细信息

微流控系统因具有高集成度、高灵敏度以及高通量检测能力等优势,在微全分析系统、即时检验(POCT)等领域备受研究者关注,并在病毒流调筛查、疾病居家自测等大健康应用中崭露头角。在微流控系统中,微流体驱动是实现微流体输送和操控的关键步骤与核心技术,微流体驱动技术的改进和创新持续推动了微流控系统的应用和发展。从主动式驱动和被动式驱动两大方向详细介绍了各种微流体驱动技术的原理和进展,分析了其优缺点和应用场景,总结了微流体驱动技术的未来趋势与发展方向。

关键词：微流体驱动微流控系统高通量筛查居家自测即时检验(POCT)

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一种微流控系统仿真的新方法

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高校化学工程学报 2014年第3期28卷 641-647页

作者：曾议孙友文中国科学院安徽光学与精密机械研究所安徽合肥230031

针对复杂的大规模微流控芯片,提出了一种新的通用微流控系统行为模拟方法,计算芯片中由压力驱动的,线性和非线性的,静态和动态的溶液、溶质传输。对芯片中溶液/溶质传输的对流-扩散方程进行了分析,定义新的节点变量,抽象出系统集总模型... 详细信息

针对复杂的大规模微流控芯片,提出了一种新的通用微流控系统行为模拟方法,计算芯片中由压力驱动的,线性和非线性的,静态和动态的溶液、溶质传输。对芯片中溶液/溶质传输的对流-扩散方程进行了分析,定义新的节点变量,抽象出系统集总模型,通过空间离散化处理,考虑了管壁柔性对模型参数的影响,建立毛细管传输的数值模型。新方法可以避免复杂解析解的求解,计算时间短。利用Verilog-AMS语言实现了模型建立和求解,开发了具体应用程序,对自制微流控开关梯度发生器及脉冲编码调制器进行模拟和分析,通过对比仿真和实验结果,验证了方法的有效性。

关键词：微流控系统溶液溶质传输集总模型有限差分

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基于微流控系统的单细胞代谢物分析技术的研究进展

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分析化学 2021年第11期49卷 1779-1791页

作者：张乃倩方群浙江大学化学系微分析系统研究所浙江大学浙江省激发态材料合成与应用重点实验室浙江大学杭州国际科创中心

由于细胞之间存在异质性,单细胞水平的代谢物分析可为复杂生物系统的研究提供更丰富的信息。微流控系统可在微米级结构内对流体进行操纵,其微结构尺度与细胞大小接近,非常适合进行单细胞分析。本文对基于微流控系统的单细胞代谢物分析... 详细信息

由于细胞之间存在异质性,单细胞水平的代谢物分析可为复杂生物系统的研究提供更丰富的信息。微流控系统可在微米级结构内对流体进行操纵,其微结构尺度与细胞大小接近,非常适合进行单细胞分析。本文对基于微流控系统的单细胞代谢物分析技术的进展进行了综述,根据分析中所采用检测方法的不同,分别详细介绍了基于荧光显微成像、激光诱导荧光、电化学、质谱、化学发光和传感检测技术的微流控单细胞代谢物分析系统及其应用研究。

关键词：微流控系统单细胞分析代谢物分析评述

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微流控系统在流体剪切力、分子逻辑门以及离子检测中的应用

微流控系统在流体剪切力、分子逻辑门以及离子检测中的应用

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作者：寇松姿南开大学

学位级别：博士

本论文主要介绍了微流控系统在流体剪切力、分子逻辑门和离子检测方面的不同应用。微流控系统以其在尺寸上类似于生物体结构的特有优势，以及可控制微环境中物理化学特性的能力，使得可以通过改变芯片设计（包括改变通道、小室以及其它... 详细信息

本论文主要介绍了微流控系统在流体剪切力、分子逻辑门和离子检测方面的不同应用。微流控系统以其在尺寸上类似于生物体结构的特有优势，以及可控制微环境中物理化学特性的能力，使得可以通过改变芯片设计（包括改变通道、小室以及其它几何结构等）来方便地模拟细胞外周环境，这给体外研究细胞行为和功能提供了非常有价值的平台。将微流控系统应用于研究流体剪切力对细胞影响的平台更是发挥了其特长，使细胞分析实验变得高效省时并节约了成本。另外，将荧光化学传感器与微流控系统结合起来会成为芯片实验室(Lab-on-a-chip，LOC)一个非常强有力的工具。荧光化学探针以其能感知特异性底物、灵敏性高、可实现分子逻辑门等特点赋予了微流控芯片更强大的优势，使得微流控芯片可应用在开发溶液微处理器以及诊断和检测方面，这样的平台可实现溶液微处理器，并且在检测方面更加高效和灵敏。\n 在第一幸中首先对微流控芯片的优势、微流控的基本技术（微流控芯片加工，微流控系统模拟细胞微环境，微芯片混合技术）进行了背景介绍，接着对微流控剪切力系统在细胞行为方面的研究进行了概括总结，还进一步了介绍了流体剪切力对胞质钙浓度的影响的相关内容。然后对分子逻辑门相关的一些基本概念（荧光化学传感器，逻辑门，分子逻辑门等）进行了介绍，并综述了分子逻辑门领域的研究进展以及在微流控中进行逻辑门操作的相关实例。再接着概述了检测氰根离子和重金属离子的当前技术进展，以及利用微流控系统来检测这两类离子的相关报道。最后对该论文研究的立题依据，研究内容和主要成果进行了归纳总结和陈述。\n 第二章介绍了一个用于定量分析成骨细胞钙动态变化的多剪切力微流控芯片设备。微流控系统是研究剪切力刺激对钙动态变化影响非常便利的平台。已经证实剪切力可以影响骨细胞的功能和影响骨骼再造。我们开发了一个能在单个芯片中同时产生四种剪切力流体的微流控系统，来研究成骨细胞胞质钙离子浓度的钙动态变化。四种不同的剪切力随细胞培养小室宽度的变化而变化，同时我们增加了一些阻力通道来矫正每个分支的总阻力，从而使流体平均分配到四个分支中。另外，我们还通过数值模拟得到了细胞培养小室中局部剪切力的分布，找出了适用于测量钙动态变化的均一剪切力区域。在0.03-0.30 Pa，成骨细胞胞内钙浓度的升高与剪切力的强度成正比。另外我们发现剪切力刺激下成骨细胞的钙响应出现了延迟，这种钙响应的延迟对应的剪切力的阈值在0.03-0.06 Pa之间。总的来说，我们开发了一个可提供可控的多种剪切力的微流控剪切力芯片设备，并且该芯片设备可以对剪切力引起的胞质钙离子浓度变化强度进行定量分析。\n 第三章介绍了通过利用基于气动控制的多个微阀作为微蠕动泵来实现流体混合的微流控设备，实现了在不同pH和离子条件下荧光强度变化不同的荧光化学传感器的分子逻辑门。这里使用的PDMS微流控设备利用多层软光刻技术制备。在循环流通环形微通道中，逻辑混合则通过电脑控制的LABVIEW程序气动控制微流泵来实现。该微流控系统能可控制固定容量的流体，并且有5个小室用于双输入逻辑门的芯片上的条件混合和高效化学反应，以此来获得这些荧光化学传感器的分子逻辑门。结果中，通过芯片上的逻辑混合和荧光化学传感器荧光强度的变化，我们获得了INH和NOR两种双输入的分子逻辑门，并且通过整合分别表现为XOR和AND逻辑门的两种荧光化学传感器获得了OR逻辑门。我们还尝试了将能结合铜的转铁蛋白，transferrin和铜离子荧光化学传感器进行逻辑混合得到了与生物相关的NOT(INH)逻辑门。以上结果证实了以前认为只能工作于溶液中的分子逻辑门现在能实现在电子化控制的微流控设备中。这也暗示了我们的分子逻辑门平台会对开发溶液微处理器有很大意义。\n 在第四章中，我们介绍了一个能特异性检测氰根离子的流动注射微流控系统平台，含有微通道被动式混合器。这里利用了对氰根离子特异的荧光化学传感器，通过其在微流控系统中与氰根离子溶液被动混合后的荧光强度变化来检测氰根离子的浓度。在此系统中，荧光化学传感器和氰根离子溶液的混合是通过鱼骨状的被动式微混合器实现。这个微流控系统操作简单，只需要一个流动注射泵，不需要电脑程序控制。该荧光化学传感器与氰根离子的混合是在水溶液中即可实现。将荧光化学传感器与不同浓度的氰根离子混合后可观察到荧光化学传感器的荧光强度随着氰根离子的浓度增加而线性增强。在这种“关-开”型的发射光变化可在500nm观察到200倍的发射强度的增强。实验结果说明，我们设计的流动注射微流控芯片系统成功地利用了对氰根离子特异的荧光化学传感器实现了对氰根离子的在线检测。这给未来开发便携式检测设备给予了重要的启发。\n 第五章中介绍了另外一种流动注射微流控系统，该系统选择了三种对不同重金属离子有特异性的荧光化学传感器，通过被动混合

关键词：微流控系统多剪切力胞质钙浓度荧光化学传感器分子逻辑门氰根离子检测重金属离子检测

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微流控系统的磁泳运动仿真和实验研究

微流控系统的磁泳运动仿真和实验研究

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作者：周信华中科技大学

学位级别：硕士

微流控技术是一个包括了工程学、物理学、化学、电磁学、材料学、流体力学、微加工和生物工程等相关领域的多交叉学科，该技术涉及到试剂采样、反应、混合、检测和分离等等基本操作，具有节约样品、高效率、高度集成化和低廉的成本要求... 详细信息

微流控技术是一个包括了工程学、物理学、化学、电磁学、材料学、流体力学、微加工和生物工程等相关领域的多交叉学科，该技术涉及到试剂采样、反应、混合、检测和分离等等基本操作，具有节约样品、高效率、高度集成化和低廉的成本要求，应用前景非常广阔。而纳米磁性材料的出现，由于其良好的超顺磁性、生物相容性、稳定性以及易于实现生化修饰等优点，在磁场作用下，可以实现磁性微粒的可控性，使得微流控技术的发展得到了更广泛的关注和研究。颗粒在磁场作用下的“泳动”现象称为磁泳。与磁场相结合的微流控技术中，载体磁性粒子的研究近年来得到了国内外众多学者的关注，磁场作用下的磁泳运动研究也有了一定的研究。\n 本文基于流体力学和电磁学理论，分析了磁泳过程中磁性粒子在梯度磁场和流场共同作用下的受力情况，并通过理论分析、有限元数值模拟和实验验证等手段，对微管道内磁性粒子的磁泳行为进行了探索和研究。主要研究内容如下：\n 建立了微管道内磁性粒子在梯度磁场和流场共同作用下的动力学理论和数值模型。以柱形永磁体作为磁源，推导了二维简化模型中在磁场作用下磁性粒子的磁泳轨迹的解析表达式。在此基础上，研究了微管道内磁性微粒的磁场力与所受粘滞阻力的平衡关系，对比分析了不同粒径和不同磁源-微管道间距对磁泳捕获效率的影响。进一步为了验证该解析表达式，本文提出采用Matlab和COMSOL有限元法相结合的数值求解方法，对同一模型下的磁性粒子的磁泳行为进行了对比分析。可以看出在同样假设条件下，两种方法求解结果基本相同。同时，基于本数值求解方法，亦考虑粒子磁径向速度（在解析法中忽略）对磁泳行为的影响，并通过与数值模型的结果进行对比，分析了结果差异的原因所在。\n 提出了基于PCB印制电路板的微流控系统的搭建方法。文章探讨了四种不同的微管道加工方法，综合考虑加工水平、周期和成本的因素，提出了设计基于PCB印制电路板的微流控系统的制作方案，在此基础上，搭建有限元仿真模型，研究了PCB印制电路板走线通电情况下磁流体的磁泳运动，研究外加恒定磁场对微管道内磁流体磁泳运动的影响，对磁性微粒的磁泳聚集行为做出预测。\n 搭建微流控平台，进行实验研究。验证了有限元仿真模型下的磁泳运动现象，可以看出与理论研究基本吻合。\n 限于实验条件及工作展开，本文对微流控系统下的磁泳运动作了基础理论的相关研究，开展了磁泳运动的仿真和相关基础实验，尚有许多待解决问题，对于磁流体的混合、分离的问题有待进一步研究，引进更为精密的微管道制作方案和用于磁泳运动观测的设备，也将会大大提高对磁流体磁泳运动的研究认知。

关键词：微流控系统磁泳运动仿真数值模型有限元分析

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微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟

微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟

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作者：毛文彬中国科学院广州能源研究所

学位级别：硕士

本文在微流控系统的背景下，对微尺度下混合以及微通道内流动沸腾传热过程进行了深入细致的研究。\n 在微尺度下，由于流动处于层流状态，因此混合是一个巨大的难题。本文针对微尺度混合的特点，研究了一种脉动流微混合器。这种微混... 详细信息

本文在微流控系统的背景下，对微尺度下混合以及微通道内流动沸腾传热过程进行了深入细致的研究。\n 在微尺度下，由于流动处于层流状态，因此混合是一个巨大的难题。本文针对微尺度混合的特点，研究了一种脉动流微混合器。这种微混合器利用入口速度方波型或正弦波型脉动实现微通道内流体的有效混合。针对物理问题建立了通用的无量纲方程和边界条件，利用计算流体动力学方法研究了微混合器的特性和脉动参数的影响。结果表明对于方波型脉动混合器，在脉动方波占空比为0.5，相位差为180度时，能达到较好的混合效果。微混合器中流动具有混沌对流特征，可极大地增加界面面积，从而实现快速混合。\n 对于正弦波脉动微混合器，其混合效果比方波型好。通道内存在月牙形的脉动形状，它决定了混合的效果。St数(频率)控制着通道内脉动形状的大小，即流体分段的数目。St数并不是越大越好，而是要取合适值以使得通道内月牙形区域为4～8个。脉动幅值口控制着通道内脉动形状的对称性，当α取最佳值使得脉动形状关于x轴对称时，混合效果最好。最佳脉动幅值一般随St的增加而增加，随Re数的增加而减小。Re数(Pe数)影响流体在通道内滞留的时间，从而影响扩散混合的速率。由于脉动流微混合以对流作用占主导，故随着Re的增加，混合效果只有轻微的下降，说明脉动流微混合器具有较广的Re数适用范围。\n 在微通道流动沸腾的研究中，采用VOF方法对沸腾流型由泡状流向塞状流过渡的全过程进行了数值模拟，并与实验结果进行了对照，结果表明汽泡流型变化的过程与实验较为接近。通过对汽泡周围温度场和流场的分析，表明汽泡的成长会影响温度场和流场的分布，从而影响通道的传热系数。沸腾流型由泡状流向塞状流转变的过程中，通道的传热系数不断增大，总热流也不断增大。热流的增加主要由汽液界面的相变潜热热流和汽泡引起的周围流体对流传热的强化效应两部分组成。在泡状流阶段，相变潜热的热流比例很小；在弹状流阶段，相变潜热热流将逐渐占据主导地位，通道内的传热将主要由壁面处薄液膜的蒸发所决定。

关键词：数值模拟流动沸腾汽液相变传热微流控系统混沌对流特征

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双光路同步调制提高微流控系统中基于发光二极管的荧光检测的信噪比

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高等学校化学学报 2004年第z1期25卷 97-98页

作者：张涛方群方肇伦东北大学分析科学中心沈阳110004 浙江大学化学系微分析系统研究所杭州310028

　　近年来,随着微全分析系统的快速发展,使得将传统化学中混合、反应、分离以及检测等操作集成到芯片上,以减少试剂消耗和提高分析速度成为可能.实现这一目标的挑战性工作之一是如何克服在微型化的光度检测中由于光程变短以及有效检测... 详细信息

　　近年来,随着微全分析系统的快速发展,使得将传统化学中混合、反应、分离以及检测等操作集成到芯片上,以减少试剂消耗和提高分析速度成为可能.实现这一目标的挑战性工作之一是如何克服在微型化的光度检测中由于光程变短以及有效检测体积减少而导致的系统灵敏度的降低.……

关键词：微流控系统荧光检测发光二顿管

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电场作用下微流控系统中微气泡/微汽泡的动力行为特性及其调控机理

电场作用下微流控系统中微气泡/微汽泡的动力行为特性及其调控机理

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作者：全晓军上海交通大学

学位级别：博士

20世纪以来,随着微制造技术的快速发展,许多前沿科技都朝着微型化方向迈进,为科学研究和工程应用开创了新的方向与机遇。微换热器、微流控芯片、微致动器、微混合器、微化学反应器、微燃料电池等各种微热流系统相继涌现,在微电子、材料... 详细信息

20世纪以来,随着微制造技术的快速发展,许多前沿科技都朝着微型化方向迈进,为科学研究和工程应用开创了新的方向与机遇。微换热器、微流控芯片、微致动器、微混合器、微化学反应器、微燃料电池等各种微热流系统相继涌现,在微电子、材料科学、化学工程、生物化学分析、分子生物学、能源等诸多学科领域显示出了广泛的应用前景。一些新型的微流体控制技术受到了各国学者极大的关注,其中微流体系统中的微气泡生成技术、利用附加电场效应控制微气泡生成大小及频率、微汽泡在微泵中的应用以及外加电场强化微通道沸腾传热等研究内容,己经成为当前工程热物理领域的研究热点。\n 微流体系统产生的微气泡在药物输送、超声造影、肿瘤去除基因研究、新材料的中尺度自组装、立体结构的微制造、DNA的分离和蛋白质结晶分析等方面具有重要的应用。因此,研究微流体系统中气泡的生成及控制技术,具有十分重要的实际意义。此外,许多学者对脉冲加热下微气泡产生过程中瞬间引起的较强的压力波动及其在微泵和微致动器的应用发生广泛的兴趣。也有许多学者对电场强化常规尺度下的沸腾换热进行了大量实验研究。\n 针对以上研究的热点,本文首先用实验方法研究微通道几何结构(Ω),气液流速比(R)以及Ca对气泡形成的影响。从实验数据拟合得到bubbling及jetting两种不同模式下的气泡发生无量纲频率(τ)经验公式,并且研究形成的微气泡在下游T型通道处的分离行为,发现了断裂(breaking)及不断裂(non-breaking)两种气泡分离方式,并对其进行了理论分析。\n 随后研究电场对气泡形成的影响,将电极放置在子微通道出口附近气泡发生的地方,采用格子Boltzmann方法的分子势能模型,模拟了低毛细数时电场作用下非润湿微通道内两种不相融流体的混合而产生的气泡形成的过程。模拟结果表明,随着电场强度的增加,产生气泡的体积减小而形成频率增加。这是因为在电场作用下的气泡生成过程中,气泡和固体壁面之间的间隙减小,导致正在生成的气泡更有效地堵塞连续相流体。这一堵塞作用增加了气泡界面两相的压差,导致对气泡脖子更强的压缩效应。对于一个固定的连续相和分散相流量比,存在一个使气泡开始接触电极的临界电场强度。在这一临界场强处,生成气泡的体积突然显著减小,频率显著增加。高场强下,电场力在流场中起主导作用,连续相速度对气泡的变形的影响不大。本研究模拟结果表明电场可用于有效控制气泡生成体积和频率的大小。\n 最后本研究精心设计并加工了集成在微通道内的微加热器,开展了脉冲加热下流动沸腾流型及表面活性剂效应等的研究,重点研究了流速、脉冲宽度、热流密度、活性剂浓度等对微尺度沸腾现象及微汽泡行为的影响。并利用先进的MEMS加工技术,设计了独特的微芯片,重点研究电场对微加热器壁面上单个微汽泡动力行为的影响,从而探究电场作用强化沸腾换热的机理及效应。

关键词：微流控系统微通道微气泡电场作用脉冲加热微流体控制沸腾传热

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提高液滴尺寸精度的电容检测闭环微流控系统研究

提高液滴尺寸精度的电容检测闭环微流控系统研究

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作者：曾文哈尔滨工业大学

学位级别：博士

液滴微流控系统是一种重要的微流控系统,该系统涉及流体力学、生物、医学、化学和系统控制等多个学科,其中,在微流道中如何形成离散的微小液滴并精确控制液滴尺寸,是目前液滴微流控系统研究的重点和难点,对于液滴微流控系统在交叉学科... 详细信息

液滴微流控系统是一种重要的微流控系统,该系统涉及流体力学、生物、医学、化学和系统控制等多个学科,其中,在微流道中如何形成离散的微小液滴并精确控制液滴尺寸,是目前液滴微流控系统研究的重点和难点,对于液滴微流控系统在交叉学科领域的应用十分关键。因此,本文提出了电容检测闭环液滴微流控系统,采用压力驱动调节系统流量,通过电检测方法在线测量液滴尺寸并反馈调节,实现液滴尺寸的闭环控制。研究液滴尺寸电检测方法与闭环液滴微流控系统的动态特性,对于提高液滴尺寸的控制精度,降低液滴尺寸的不一致性,具有重要意义。分析T型微流道液滴形成瞬态过程,建立液滴尺寸与两相液体流量比的线性数学模型。通过比较液滴形成瞬态响应和系统动态响应过程,给出液滴形成的瞬态数学模型。研究外界流量不稳定和液滴形成瞬态过程引起的液滴尺寸变化,并测试液滴尺寸不一致性大小,得到液滴尺寸不一致性的变化规律。开展T型微流道液滴形成试验研究,选取不同的T型微流道结构参数,测试液滴形成规律,验证低毛细管数下,液滴长度与两相液体流量比的线性数学模型。基于液滴形成瞬态模型,考虑液滴形成瞬态过程引起的压力脉动,重点分析该压力脉动作用下,液滴微流控系统的动态响应速度和控制精度,进行系统动态特性的仿真分析与试验测试。采用电检测方法测量液滴尺寸,提出利用多组微电极测量结果的均方根,提高液滴尺寸检测精度的测量方法。本文将电检测方法与液滴微流控系统集成为一体,形成电容检测闭环液滴微流控系统,实现液滴尺寸在线测量与闭环调节。基于液滴尺寸电检测原理,建立液滴尺寸电检测数学模型,仿真分析与试验测试不同尺寸液滴经过微检测电极时,引起电极的电容变化。试验中,为分析液滴形成瞬态过程引起的液滴尺寸变化对电检测方法测量精度的影响,在微流道不同位置布置多对微检测电极,比较不同检测位置的液滴尺寸测量结果,分析液滴尺寸测量误差。采用多组微电极同时测量液滴尺寸,并将微检测电极布置于远离T型微流道交汇处,能减小液滴形成瞬态过程引起的液滴尺寸测量误差,提高电检测方法的测量精度。针对电容检测闭环液滴微流控系统,采用PI控制算法改善闭环系统的动态调节特性,提高液滴尺寸控制精度。根据闭环系统数学模型,进行闭环系统动态特性仿真分析,并开展液滴尺寸电检测、压力驱动装置和液滴尺寸闭环调节动态特性的试验研究。根据液滴尺寸电检测过程,分析液滴形成速度与液滴尺寸测量速度的关系,得到液滴形成速度对液滴尺寸闭环调节动态特性的影响。采用液滴尺寸闭环调节,并将PI控制算法引入电容检测闭环液滴微流控系统,可抑制外界扰动引起的液滴尺寸变化。搭建电容检测闭环液滴微流控系统,合理选取PI控制参数,实际测试闭环系统的动态调节特性,比较不同PI控制参数对液滴尺寸闭环调节动态响应速度和控制精度的影响。本文提出的电容检测闭环液滴微流控系统,可实现液滴尺寸快速调节和精确控制,为液滴微流控系统的应用研究提供了理论与试验指导。

关键词：微流控系统液滴尺寸精度电检测闭环控制压力驱动

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面向微流控系统的PDMS平面微阀微泵研究及应用

面向微流控系统的PDMS平面微阀微泵研究及应用

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作者：倪君辉东华大学

学位级别：博士

微流控系统是一种在微观尺度(1μm～1 mm)下精确操控流体、自动完成生化分析全过程的微型分析系统,是分析仪器向微型化、集成化、便携化发展的重要标志。其中,微阀和微泵作为微流体控制系统的核心部件,是实现微流控技术的前提和基础,是... 详细信息

微流控系统是一种在微观尺度(1μm～1 mm)下精确操控流体、自动完成生化分析全过程的微型分析系统,是分析仪器向微型化、集成化、便携化发展的重要标志。其中,微阀和微泵作为微流体控制系统的核心部件,是实现微流控技术的前提和基础,是微流控系统发展水平的重要标志。它们在微型燃料电池、微量药物注射和配给系统、微型计算机CPU冷却、微小卫星推进系统和生物化学分析等领域都有着广泛的应用前景,已成为微流控系统研究的重要分支。目前,机械式微阀和微泵发展迅速,是当前应用的主流。然而现有机械式微阀和微泵由于以下两方面的原因,而限制了其在微流控系统的广泛使用：(1)多以硅材料为基底,采用硅微细加工技术制作而成,工艺繁琐复杂,制作周期长,成本高；(2)通常采用非平面的多层立体结构,不仅结构复杂,增加了加工和封装难度,而且不利于系统集成。鉴于此,本文提出和实现了一种以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为主体材料的平面微阀、微泵,以简化微阀和微泵结构,降低加工难度和成本,提高其系统集成性和可靠性。本文主要研究内容和成果如下： 1.研制了一种零间隙接触式阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀,简化微阀结构、降低微阀反向泄漏、提高其正／反向流量比、有效地实现微阀流向控制要求。对制作微阀所涉及的SU-8光刻工艺和PDMS脱模工艺进行了研究和分析,并采用夹层模塑法获得设计所要求的零间隙接触式阀片-阀塞结构。构建了微阀测试实验装置,进行了微阀正反向流量特性地测试,其中微阀反向泄漏量仅为0.9 nL/min、正反向流量比达到2.0×105的测试结果表明了微阀具有良好的反向截止性能,从而可以有效地降低微阀的反向泄漏,保证微阀工作的稳定性和可靠性。 2.提出并实现了零间隙接触式平面微阀与微泵的集成,所研究的PDMS平面微泵,突破了常规有阀型机械微泵的多层三维立体结构,实现微阀、泵腔及微通道等微结构在微泵单层PDMS片上的集成,不仅简化了微泵结构及其制作工艺,而且能够有效防止微泵工作过程中的倒流现象,保证微泵驱动流体的连续性和单向性。通过对泵腔内流体运动规律、泵膜-流体运动耦合关系的研究,揭示了平面微泵的动态运动特性,结合平面微泵的结构特征,构建了平面微泵动态运动模型,并进行了相关实验验证,相关研究可以为微泵动态性能分析和优化设计提供科学依据。 3.针对微流控流动注射分析系统(输出背压>10 kPa,流量>1μL/min)和微纳生化分析系统(流量<1μL/min,流量分辨率1～10nL)对微泵驱动性能的要求,分别研制了气动和电磁驱动PDMS平面微泵。对所研制微泵的工作原理、结构设计、制作工艺及其性能进行了分析,并构建了微泵的测试实验装置,对微泵在不同的驱动参数(驱动气压和驱动电流)、微泵结构和背压等条件下的流量动态输出特性进行了系统的测试和分析。气动微泵测试结果表明：微泵最大输出流量为41μL/min,最大输出背压为25 kPa,满足了微流控注射分析系统的要求,性能达到国际先进水平(目前同类型微泵文献报道最大输出背压为20 kPa)。电磁驱动PDMS平面微泵的试验结果表明：微泵的输出流量可精确至0.15μL/min,流量分辨率达到1 nL/冲程,有效地满足了微纳生化系统纳升级的流量控制精度要求。 4.为满足脑给药系统纳升毫秒级地给药要求,基于零间隙接触式PDMS平面微阀,开发了由平面微阀、进药通道和给药通道组成的大脑神经微流控给药原型系统,完成了老鼠动物离体试验。构建了微流控给药系统测试平台,分别测试了给药系统在不同驱动脉冲宽度和驱动压力下的进药和给药性能。试验结果表明：该微流控给药原型系统可在50 ms时间内完成10～30 nL微量药物试剂的给药。以老鼠为试验对象,进行了动物离体试验测试,验证了本微流控给药系统的生物适用性,这对促进脑疾病治疗仪器的发展具有重要的实践意义和使用价值。

关键词：微流控系统微阀微泵聚二甲基硅氧烷(PDMS) 大脑神经给药原型系统

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