微流体隔离泵送和微流体次序流动系统研究

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1、博士学位论文微流体隔离泵送和微流体次序流动系统研究STUDYOFMICROFLUIDICSOLUTIONISOLATEDPUMPINGANDMICROFLUIDICSEQUENTIALFLOWSYSTEM刘吉晓哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP271.3/V526学校代码：10213国际图书分类号：621/626密级：公开工学博士学位论文微流体隔离泵送和微流体次序流动系统研究博士研究生：刘吉晓导师：李松晶教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月8日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TP271.3/V526U.D.C:621/626DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYOFMICROFLUIDICSOLUTIONISOLATEDPUMPINGANDMICROFLUIDICSEQUENTIALFLOWSYSTEMCandidate：LiuJixiaoSupervisor：Prof.LiSongjingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsAffiliation：Schoo

3、lofMechatronicsEngineeringthDateofDefence：July8,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要微观尺度下的高传热传质效率和低物质能量消耗使微流体技术在疾病即时诊断和环境监测等领域具有巨大应用潜力，但目前微流体技术还无法很好的解决液体次序流动芯片及平台的通用性和可控性差、容易出现气泡等问题。本论文针对微流体分子诊断(Microfluidicmoleculardiagnostic)中的液体次序流动和控制提出一种新型微流体负压驱动泵

4、送技术，研究一种新型核酸与蛋白质测定次序流动控制通用平台，实现不同形式的多样本、多过程的流体泵送控制，从而促进和推动微流体疾病即时诊断相关产品的成熟化。由聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）材料制作的微流体芯片，通过负压驱动进行泵送时易产生影响微流体芯片正常功能的无用空气气泡。本文研究负压流动中PDMS流道内无用气泡生成和长大机理，基于PDMS的表面斥水性和流道结构特性，提出在流道内不同位置生成气泡的物理模型，并建立考虑多相间物质传递和压力变化的多物理场耦合数学模型，对气泡在形成后的体积变化过程进行数值仿真分析和实验验证，对

5、气泡变化过程中气泡长大速率特性进行分析，研究气泡平均变化速率与关键影响参数之间的关系。在微流道内气泡产生和变化机理研究基础上，本论文提出一种负压驱动的微流体液体隔离泵送技术。利用PDMS材料的选择透过特性，将被泵送液体与负压驱动气源隔离，依靠通道之间空气扩散引起的流道压力变化进行液体泵送，从根本上避免了液体流动时流道内无用气泡的形成，并且实现了封闭流道结构内的液体泵送。本文对该微泵技术的液体流动过程进行数学模型的研究和仿真计算对比，分析关键过程特性和设计参数；对该微泵技术进行实验研究，得出液体泵送速率与设计参数之间的定量关系；为扩大应用领域，在该微泵上集成

6、手指薄膜泵，开发可以脱离外部能源支持、进行独立操作的微流体泵送技术。处于同一平面的液体流道与负压气体通道之间无法实现相互交叉的立体结构关系，无法集成多层结构的控制模块。本文提出多层复合结构液体隔离泵送技术，采用热塑塑料和硅胶薄膜等材料，将液体流道和气体流道分别置于不同平面结构上，两者之间通过透气硅胶薄膜隔离，并在片上集成微阀等立体控制结构。本文对复合结构芯片的快速、低成本制备方法进行研究，在更短的时间内将芯片设计转化制备成为复合结构微流体芯片，提高测试和优化效率。本文设计具有无气泡、高可控性、通用性、自动化等特点的微流体次序流-I-哈尔滨工业大学工学博士学

7、位论文动与控制平台，并对不同类型的微流体次序流动芯片进行研究。本文在复合结构微流体芯片上集成一定数目的气动薄膜微阀，使负压驱动气体同时对液体泵送和回路控制进行操作，在此基础上分别对三种面向核酸测定的离散化次序流动芯片以及面向蛋白质测定的次序流动芯片的结构、工作原理和流动特性进行研究。本文对可编程的微型气动系统进行设计和测试，并配合次序流动芯片对自动化、多样本、多试剂、多步骤的微流体次序流动控制平台进行实验研究。关键词：微流体通用平台；气泡；液体泵送；分子测定；次序流动与控制-II-AbstractAbstractThehighefficiencyofhea

8、ttransferandmasstransferinmicro-m