基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究硕士研究生：王诗元指导教师：邢晓冬副教授学科、专业：机械工程论文主审人：王立权教授哈尔滨工程大学2018年03月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究硕士研究生：王诗元指导教师：邢晓冬副教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegr

2、eeofM.EngStudyofaMicrofluidicChipSystemBasedontheLiquidQuantitativeShuntingMixingandDetectingCandidate:WangShiyuanSupervisor:AssociateProf.XingXiaodongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:January.2018DateofOralExamination:March.

3、2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论

4、文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究摘

5、要微流控芯片是在长度仅有几十毫米的芯片上，向内注射微升或纳升容量的待测液体完成一系列的分离、混合、反应及检测等基本步骤。微流控技术涉及多学科领域的交叉，包括化学、材料、自动化、机械、物理、流体等专业。可以应用于生物化学分析、即时诊断、材料的筛选与合成、组织与器官仿生等不同领域。微流控芯片不仅可以提高分析的速度，大大的减低分析的费用，减少样品的消耗，对微量元素的分析具有广阔的应用前景。本文根据微流控芯片内的微流体驱动系统和微混合的工作原理及研究项目需求，确定了微流控芯片的整体结构方案及加工工艺流程。方案为首先实现样本及试剂的定量分流，然后采用无阀微泵驱动微流体在

6、微混合器内进行混合，最终利用阻抗传感器检测血液颗粒的体积，利用吸光度测试对血细胞进行分类和计数。微流控芯片内部流体的定量分流可以通过两种不同的技术方案来实现。基于毛细管电泳驱动技术，利用十字夹流进样法对微流控芯片的进样进行定量分流，具体方案为采用双十字通道，通过控制电压的大小和切换方向来实现流体的定量进样过程和分离分析过程。在数学模型控制方程的基础上，采用有限元仿真软件COMSOL建立十字通道模型、设置流体的边界条件、施加耦合的多物理场，模拟仿真了微流体的定量分流过程，通过两组不同数据对比分析了电势差与分离效率和分离速度的关系，得到不同时刻下十字分离通道不同位

7、置和试样浓度关系的曲线图。另一种方案是通过气动微阀实现微流控芯片内部流体的定量分流。由于待混合的两种溶液体积相差悬殊，因此利用气动无阀微泵驱动对定量分流后的流体在微混合器内进行混合，混匀后进行阻抗测试和吸光度测试，据此完成了微流控芯片内部的微通道结构设计。微流控芯片的整体结构主要分为三层，包括上层盖片、中间层和下层基片。根据设计需求和材料特性，盖片和基片选用硼硅酸玻璃材料，中间层选用有机聚合物PDMS，采用光刻法进行芯片结构加工，通过热键合方法对三层结构进行封合。利用COMSOL软件仿真分析了无阀微泵结构参数对微流体瞬时流量的影响。基于无阀微泵的结构和驱动原理

8、，对微尺度下流体的尺寸效应、流速和流阻