微流控分析系統(tǒng)中基本物理參數(shù)測(cè)量技術(shù)的研究.pdf

1、在微流控分析系統(tǒng)微米尺度結(jié)構(gòu)中，流體的傳質(zhì)、傳熱過(guò)程與宏觀(guān)條件下有很大區(qū)別。深入研究和掌握微狀態(tài)下相關(guān)物理參數(shù)的狀況變化是微流控分析系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究所必須的，但至今在相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道甚少。對(duì)相關(guān)參數(shù)測(cè)量所使用的技術(shù)平臺(tái)或較為復(fù)雜，設(shè)備昂貴，或不能完全滿(mǎn)足相關(guān)研究的需要。本論文對(duì)微流控系統(tǒng)中的三個(gè)重要的物理參數(shù)——微結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸、微反應(yīng)體系的溫度、微流體流速的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了一套投資較少，適于在一般分析實(shí)驗(yàn)室中推廣又易于實(shí)

2、現(xiàn)的測(cè)量方法。 工作中首次提出了基于PDMS復(fù)制和CCD成像的芯片微結(jié)構(gòu)非破壞性的測(cè)量方法。用PDMS固化得到與被復(fù)制結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的高保真PDMS復(fù)制模型，并成功研制了專(zhuān)用的切割工具將PDMS復(fù)制模型制成觀(guān)測(cè)切片。該法成功用于各種材料的微芯片結(jié)構(gòu)表征。測(cè)量形貌與尺寸和其它標(biāo)準(zhǔn)工具測(cè)量結(jié)果一致，且對(duì)芯片無(wú)破壞。以此方法進(jìn)行微結(jié)構(gòu)特征尺寸測(cè)量，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4％。其結(jié)果同萬(wàn)能工具顯微鏡(寬度測(cè)量)及探針輪廓儀(深度測(cè)量)相比，絕對(duì)偏差

3、小于0.9μm。本方法在測(cè)定復(fù)雜微結(jié)構(gòu)時(shí)失真度顯著小于機(jī)械探針式輪廓儀。 對(duì)于微流控系統(tǒng)中微流體溫度的測(cè)量，本研究中在相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上建立了非接觸的、具有微米級(jí)空間分辨率和分秒級(jí)時(shí)間分辨率的、基于熒光指示劑羅丹明B熒光強(qiáng)度變化的測(cè)溫體系。系統(tǒng)首次采用了熱輻射小、對(duì)微芯片溫度影響小的普通家用節(jié)能熒光燈作為激發(fā)光源，采用較低放大倍數(shù)的顯微鏡而獲得了3.7mm×5.5mm的較大測(cè)量范圍。為克服測(cè)量范圍擴(kuò)大所帶來(lái)的光照不均勻以及光源的波動(dòng)

4、、CCD攝像機(jī)隨機(jī)噪聲、背景不均勻等因素對(duì)圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的噪聲，對(duì)圖像進(jìn)行了濾波、逐點(diǎn)移動(dòng)平滑處理、多幅圖像平均以及逐點(diǎn)校正等處理。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量玻璃微通道內(nèi)外的溫度差、溫度梯度芯片的溫度梯度、溫度梯度加熱器所產(chǎn)生的空間溫度分布及隨時(shí)間的變化情況，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫精確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 微流控系統(tǒng)中的溫度測(cè)量大多是在控溫的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，本研究中為不影響熒光指示劑測(cè)溫的實(shí)施，提出以透明的ITO薄膜導(dǎo)電玻璃作為加熱元件和配套平臺(tái)，采用PID

5、控制算法設(shè)計(jì)制作微流控芯片溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)控制精度在±0.1℃，溫度上升時(shí)一般在20-30s即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，過(guò)沖一般不超過(guò)0.5℃。 在微流體速度測(cè)量方面，依據(jù)本研究第一部分工作中建立的顯微圖像采集設(shè)備，以1μm粒徑的熒光微珠作為示蹤粒子跟蹤液流流動(dòng)，建立了應(yīng)用于微流控芯片系統(tǒng)中的測(cè)速系統(tǒng)，可對(duì)μm級(jí)通道尺寸的微結(jié)構(gòu)中流體流速的空間分布進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)微流體不產(chǎn)生擾動(dòng)，測(cè)速范圍在1μm/s到1mm/s之間。研究中