微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99nm(扫描区域:29.4μm×39.3μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。

微流体数字化的科学与技术问题(I):概念、方法和效果

按重视的是外形尺寸还是内在微特性,把微系统分成微外形系统和微特性系统,通过比较分析,得到后者的存在普遍性比前者广而且外形大小与内在微特性好坏无直接联系的结论。就微物质传输和微传热常见的细长流道低雷诺数内流条件,提出微流动、微结构、微综合等3方面的微特性。研究了微系统中和低速流动中合理流动形态的概念,提出了人为地产生和利用可预测可控制小幅脉冲流动序列是解决微流体流动不正常这一本质困难钥匙的思考。按所提出的3方面微特性对现有微流体影响方法进行了评价,并指出了我们的微流体数字化(digitalizationofmicrofluids)与Kim的数字化微流路(digitalmicrofluidiccircuits)在各方面的不同。提出了基于脉冲惯性力的微流体脉冲影响方法及其装置,实验结果表明多方面微特性俱好,流动正常性好,分辨率达fL级,最低流量达3pL/min,流动阻力降低,扰动性好,能实现微流道中和微射流中数字化流动,能实现裸微结构的数字化器件,方法普适于普通液体和粉体的驱动、控制和扰动,对流体性质无特殊限制,工作可靠性、生产率、可自动化性均较高。

微流体数字化技术制备基因芯片微阵列

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了基因芯片微阵列制备实验。在搭建的基于微流体数字化技术的基因芯片微阵列制备系统上,实验验证了脉冲点样系统参量(收敛角2θ、微喷嘴内径d、电压幅值U和驱动频率f)对样点直径和脉冲点样稳定性的影响规律。以实验规律为依据,提出了制备样点直径约为100μm的中等密度微阵列的实验路线,制备出了样点平均直径为102.2μm、微阵列密度约为4 000spot/cm2的基因芯片微阵列(点样溶液为3×SSC柠檬酸盐缓冲液)。得到的研究结果可为建立高密度基因芯片脉冲点样技术提供实验研究基础。

微流体数字化的科学与技术问题(Ⅱ):物质数字化及物质能量信息统一数字化概念研究

定义的物质数字化是物质自身或相互间的数字化,物质能量信息统一数字化是这三者作为统一体组成部分而协调地各自传输与相互转化的数字化,把数字化界说为微传输与微转化在时间上是节拍化、物理量取值是规整化且该节拍和规整是脉冲序列可控的。阐述了在几何、物理、化学、生物诸方面物质微转化的内容和用途;分析了电效应与流体、化学、生物效应在所述两个数宇化中的互补作用;指出了现有信息数字化和我们的微流体数字化技术为实现两个数字化提供的基础和开辟的道路:指出基础力学体系对微米、纳米系统规模应用的指导意义,认为代表尺寸递减时系统历经3个层次,建议把牛顿力学、量子力学单独指导的第一、第三层次作为现阶段规模应用重点。

基于微流体数字化技术的流式细胞术的设计

针对流式细胞术的核心之一——单细胞的液流驱动系统,提出了基于微流体数字化驱动-控制技术实现单细胞排列及输出的方法,分析了单细胞流的驱动机理,通过对流动室施加数字化可编码的高频驱动脉冲,细胞从连续的鞘液流中分割成单细胞流输出。设计了一种流式细胞仪核心部分石英微流动室,并采用石英玻璃精细加工而成。进行了人体外周血淋巴细胞的驱动实验研究,可通过荧光显微镜实时观测微通道内的单细胞流动情况,方法简单,操作方便。

微胶囊的微流体数字化技术制备方法及实验装置

提出了一种新的基于微流体数字化技术的单分散微胶囊制备方法。该方法通过对微喷嘴施加小幅可控的脉冲惯性力,完成对微胶囊材料的小份分割、数字化传输及喷射。使用该方法进行了海藻酸钠对芝麻油微胶囊化的实验。制备过程中,每个驱动脉冲喷射出一颗微胶囊乳化液液滴。制备的节拍既可以是连续的,也可以是编码的,因此可以对制备过程进行有效的控制。通过改变微喷嘴内径可以制备出微米级系列尺寸的规整化的微胶囊,微胶囊粒径分布窄。

微流体数字化技术制备鱼卵微胶囊

基于微流体数字化技术,提出了一种结构简单、成本低、制备条件温和的细胞微胶囊制备方法。设计了以电磁铁为作动器的微流体脉冲驱动控制系统,通过控制电磁铁铁芯往复运动撞击固定有微喷嘴的振动体,为微喷嘴及其内部的海藻酸钠细胞悬浮液提供频率和大小可控的脉冲惯性力,实现了直径约为900μm的单个鱼卵细胞的稳定喷射和鱼卵细胞微胶囊的稳定制备。给出了稳定制备时系统最优参量组合(微喷嘴装夹角度θ、驱动电压U、驱动频率f和液柱长度L)的确定方法。制备出的鱼卵细胞微胶囊壁厚均匀、形状规则且具有良好的单分散性。通过改变微喷嘴出口内径的大小可以实现对微胶囊粒径的控制,使用台盼蓝染色液间接测量微囊化后的鱼卵细胞存活率约为90%。

规整双重乳液的微流体数字化制备原理实验

提出了一种基于微流体数字化技术的规整分散的(O1/W/O2)型双重乳液制备方法.通过对微喷嘴施加小幅可控的脉冲惯性力,完成对一次水包油(O1/W)型乳状液的小份分割、数字化传输及喷射.使用该方法制备了芝麻油-海藻酸钠水溶液-液体石蜡的(O1/W/O2)型双重乳液.制备过程中,每个驱动脉冲喷射出一颗双重乳化液液滴.制备的节拍既可以是连续的,也可以是编码的,还可以对二次乳液颗粒进行规整的阵列排布,因此制备过程具备数字化量可控的特征.所制备的二次乳液颗粒粒径分布窄,使用类似的过程可以制备以海藻酸钠为壁材包埋芝麻油的食品用微胶囊.

基于微流体数字化技术的微化学反应器

微流体数字化技术利用压电陶瓷驱动器产生的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体,实现了微流体的均匀离散和微喷射,具有数字可控性。由此设计了一种数字化微化学反应器,对不同微管道内的流体利用数字化微喷射,实现试样与试剂微液滴间的混合反应。该微化学反应器由玻璃微管道拉制仪拉制的微管道进行粘接组合而成,内部无可动件,无需复杂的微加工技术,结构简单,制造成本低。进行了氢氧化钠溶液和酚酞溶液的混合反应实验,实验证明该化学反应器可以用于微化学反应。

微化学反应的微流体数字化实现及实验研究

提出一种新的基于微流体数字化技术的微化学反应方法,该方法通过对微喷嘴施加小幅可控的脉冲惯性力,对参加反应的微流体进行数字化传输和喷射生成微液滴,进而在混合腔内碰撞聚合实现溶液间的微反应。微反应过程中,每个驱动脉冲喷射出一颗微液滴,反应的节拍既可是连续的也可是编码的,因而可对微反应过程实施有效控制。通过改变微喷嘴内径和驱动频率,可调整微反应的速度和时间。微反应器采用玻璃精细加工技术制造,内部既无可动件又无内嵌式微电路,结构简单、制造成本低,圆截面玻璃微流道光滑流畅,易于驱动。进行了金属卟啉荧光材料的合成实验,结果表明,数字化微反应器可大大缩短反应时间,降低反应温度。

生物化学中微流体数字化技术的应用分析

微流体技术指的是微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术,是立足于微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础之上发展起来的一门全新交叉学科。随着微流控芯片的广泛使用,对自然界切换系统的研究以及单个生物实体的研究成为了组成数字生物化学的重要部分。微流控芯片技术的提出与使用,不仅可以促进对切换系统的分析,还能够对单个生物实体之间的相互作用进行研究,考察分子群、细胞或生物体的内在差异。本文以生物化学中微流体数字化技术作为研究对象,深入分析了该项技术的实际应用操作。

基于玻璃精细加工的数字化微流体器件的制备

介绍基于微特性系统数字化微流体器件的玻璃精细加工方法.将拉锻好的玻璃微管道嵌入预先设计加工好的宏流道中,组合成微流道网络;宏流道采用CO2激光雕刻机雕刻聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板而成,尺寸与玻璃微管道外径相吻合;微管道连接部通过PMMA微连接板连接而成,将基板与盖板进行热键合密封.该方法允许制造更细结构的微流道,可以灵活构建复杂的微流道,同时可保证微管道的连接和强度;圆截面玻璃微管道管壁光滑,流动阻力小.利用微流体数字化技术,对数字化微流体器件进行了实验研究,在微混合实验和微流式细胞中得到了较好的效果验证.

数字化微喷射用直列微喷嘴制作工艺

为解决玻璃微管道拉制工艺制作的单孔微喷嘴存在容易脆断,微管道长度不易控制,微喷射效率低等问题,提出了一种新的微喷嘴制作工艺。该工艺延续了微喷嘴拉制工艺中非IC工艺和低成本的制作特点,仍以低流阻的圆截面为喷口形状,通过材料流变运动和冷却时收缩率不同,将多根微管道紧密嵌入到塑料管中;通过毛细腐蚀作用,制作出变内径的锥形管,并实现微喷管长度的控制。制作了内径50μm的4孔微喷嘴和10孔微喷嘴,锥管长为750μm,微喷管长2.5mm。使用制作的微喷嘴在微流体数字化驱动平台上进行了水性液体在油相和气相中的微喷射实验,制备了80μm的微滴和微滴阵列。实验表明,该工艺制作的直列微喷嘴可以在微流体数字化驱动下实现较好的数字化微喷射效果。

数字化微喷射技术制备聚合物薄膜电阻

开展了微流体数字化技术制备聚合物薄膜电阻的研究。搭建了聚合物薄膜电阻按需喷射制备系统,将聚乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）聚合物以13.4%的最佳重叠率,按需喷射到RC（Resin-Coating）相纸表面,由聚合物液滴形成的薄膜在相纸表面毛细作用下迅速干燥形成薄膜电阻,并通过退火处理进一步降低薄膜电阻的阻值。实验研究了系统参量对聚合物液滴直径的影响,并通过改变薄膜电阻的行数、列数和层数以及退火处理的条件,制备了阻值为3.5∽23.2 MΩ的薄膜电阻。实验显示薄膜电阻阻值和行数近似线性关系,并且随着制备列数和层数的增大而减小,退火处理可以使薄膜电阻的阻值降低10%∽40%。以相同制备参数和退火条件制备的薄膜电阻具有较好的一致性,薄膜电阻的阻值随温度的升高而减小并趋于稳定。实验结果表明,基于微流体数字化技术制备聚合物薄膜电阻具有工艺简单、成本低廉、电阻电学性能优越等优点。

数字化微喷射用玻璃基组合微喷嘴设计及实验

为提高液滴微喷射的喷射效率和粉体微喷射的喷射方向性,选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料,基于稳定的拉制和锻制工艺,设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴。在基于微流体数字化的微喷射实验平台上,利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整,大小均匀,无卫星液滴的液滴阵列,液滴平均直径为180μm;相对于单微喷嘴,直列式组合微喷嘴提高了单次微喷射的效率。另外,进行了粉体微喷射实验,相对于单微喷嘴,同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下,出射角由33°减小至10°,成形粉线的宽度由450μm降低至300μm。结果表明,同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动,粉体喷射的方向性有显著提高。

纳米银导电图形薄膜的数字化微打印

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行纳米银导电图形薄膜微打印实验研究。在搭建的基于微流体数字化技术的纳米银导电图形薄膜微打印系统上,将水合肼溶液数字化微打印在涂有AgNO3-PVP溶液的玻璃基上形成纳米银悬浮液液线,再经高温烧结后形成纳米银导电图形薄膜。通过实验研究,微打印出了厚度约为3μm、最小线宽约20μm且最小电阻率达2.5μΩ.cm(相当于块状金属银电阻率的1.6倍)的纳米银导电图形薄膜。从实验过程可以看出,采用微流体数字化技术进行导电图形薄膜的微打印具有工艺简单、成本低廉、薄膜线宽小和导电性能优越等优点。

数字化无阀微泵内微流体泵送运动的理论解析

对研制出的新型基于微流体数字化技术的数字化无阀微泵的泵送实验现象进行理论分析研究。提出数字化无阀微泵内的微流体概念,该微流体受外加周期性扰动,其边界流和中间流间产生速度差异,由于粘性力、惯性力交替作用,使微流体运动,中间流克服表面张力的作用得以喷射出去,实现数字化无阀微泵泵送。推导了中间流的运动公式,分析认为中间流与边界流存在着滞后效应,调整扰动周期长短,可实现离散流、连续流。

一种新型的数字化微粉体混合器

利用压电陶瓷驱动器产生的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体,实现了粉体流的均匀离散和微喷射,具有数字可控性.设计了一种粉体微混合器,该微混合器将玻璃微管道拉制仪拉制的三根微管道组合起来,形成含有两个进口与一个出口的微流道,无需复杂的玻璃微加工技术及键合、芯片钻孔等工艺.工作时通过数字化控制每一根进料微管道内的粉体喷射至混合腔内,实现粉体的微混合,最终生成的混合物由微混合器出口喷射而出.进行了300目银粉和280目刚玉粉的混合实验,证明该混合器可以用于粉体的微混合.

数字化无阀微泵的泵送性能实验研究

研制出一种新型的基于微流体数字化技术的数字化无阀微泵,并对无阀微泵的泵送性能进行实验研究。该微泵泵送出的液体量微小、可控,可达纳升级。针对不同粘度液体,改进驱控参数,实现了连续流、离散流的泵送。实验验证了设计原理的正确性。

微流体脉冲惯性驱动-控制用T型玻璃微喷嘴设计及实验

为了简化用于微流体脉冲惯性驱动-控制的T型玻璃微喷嘴的制作工艺,设计制作了重力式玻璃微喷嘴制作仪、微孔制作仪。研究了拉力、线圈温度、延时时间、线圈宽度对拉制工艺,加热时间、进给量对锻制工艺,加热面积对微孔制作工艺的影响规律。制作了微喷嘴、微管道、玻璃微孔等基本微流体器件并以紫外线(UV)光学胶水密封组合,设计制作了T型玻璃微喷嘴。设计了拉锻集成式玻璃微流体器件制作设备,其拉制工艺延时控制结构比非延时控制结构制作的微喷嘴锥长可减小3.5 mm。微孔制作仪可在玻璃毛细管侧壁开制400μm圆形微孔。制作了序列玉米胚芽油海藻酸钠水油(W-O)乳液和500μm左右的单、双颗玉米胚芽油微胶囊,其粒径均匀、形态良好。结果表明,基于冷热加工工艺及组合工艺可以制作结构简单、生物化学性能和光学性能良好的T型组合玻璃微流体器件,基于脉冲惯性驱动可以产生多相流体脉冲流动及微喷射。