适用于微纳流控芯片对准连接的微装配系统

针对微纳流控芯片等器件的对准装配问题,分析了具体操作要求,建立了一套包含显微光学观测单元、机械进给调整和器件吸取-放置等的微装配系统,采用暗场照明观测微纳结构,高精度移动平台精确调整基片与盖片之间的角度与位置,利用真空吸附的方法抓取和释放。采用该系统成功地制造了多种可用的微纳流控芯片,以玻璃微纳流控芯片的对准装配为示范开展了实验研究,对准结果表明,该系统能够完成宽53μm,深18μm的微通道与宽3μm,深50~260nm的纳通道的对准连接任务。采用本系统进行芯片对准装配的方法具有仪器成本低、使用灵活和易于互换的优点,适合实验室及小批量生产使用。

基于纳米压印和键合制造尺寸可控的微/纳米流体芯片研究

微纳流控芯片在生物、医学等领域有着重要的应用价值。针对纳米压印技术进行微纳流控芯片制作过程中,通道尺寸难以调节以及纳米通道难以与带有微通道的PDMS(polydimethylsiloxane)键合等问题,提出一种通过胶厚调节尺寸和在纳米沟槽表面沉积氮化硅作为键合层的方案。通过纳米压印光刻进行纳米沟槽的制作,并通过控制压印胶的厚度实现了对纳米沟槽高度的调节;在纳米沟槽表面沉积氮化硅作为键合层,使用氧等离子体对PDMS表面进行改性,实现PDMS与纳米沟槽的键合。采用这种工艺制作了纳米通道尺寸小于100 nm的微纳流控芯片,并对芯片进行了荧光离子富集试验,结果显示该芯片具有较好的富集能力。

一种新颖的微纳流体器件制造方法与痕量富集应用

建立了一种利用光致聚合反应制备微纳流体器件的新方法,并开展了相应的痕量富集实验研究:建立描述光致聚合反应中引发剂分解、自由基消耗、聚合反应等的理论模型,利用COMSOL软件计算分析了微尺度凝胶光致聚合反应过程,获得凝胶纳米筛宽度随曝光时间和光强的变化规律;以倒置荧光显微镜为平台,通过聚焦和分光等控制手段,在微流道的特定区域实现孔密度可调的凝胶纳米筛集成,形成微纳流控芯片;以Poisson-Nernst-Planck模型为基础,对纳流体电动富集过程进行计算,确定纳孔密度与富集倍率的关系;利用制备的芯片开展纳流体电动富集实验,发现前驱液中单体丙烯酰胺与交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺质量比为9∶1时,对痕量异硫氰酸荧光素(Fluorescein isothiocyanate,FITC)小分子的富集倍率达到600倍。

链刚性对高分子溶液在微纳通道内流动的影响

采用蠕虫状链(worm-like chain)模型表示高分子链,用耗散粒子动力学(DPD)方法模拟微纳通道内高分子溶液的压力流,研究链刚性对高分子链迁移以及通道内速度场的影响.研究结果表明,链刚性越强,高分子链受到的阻力越大,降低高分子链周围流体的速度,使高分子溶液整体流速减小.模拟结果还显示,当链刚度较小时,高分子链在微通道压力流中会向通道中心方向迁移,并随着流场增强迁移越明显,但随着链刚性增强,壁面附近的高分子链排空层厚度减小,通道中心处的高分子链浓度也减小,高分子链质心分布呈明显的双峰状,与实验结果吻合.模拟结果对相关微纳流控机械的设计和优化具有指导意义.

压力驱动双膜离子浓差极化系统中带电粒子分离与富集数值模拟研究

微纳流体器件中的离子浓差极化现象可以高效富集低浓度粒子,但多种粒子的富集与分离仍然存在分离效果差的问题.文章提出了一种基于离子浓差极化现象的粒子分离与富集系统,该系统通过设置两个离子交换膜构建两个微纳界面调控带电粒子所受的电场环境,以DNA和牛血清白蛋白(BSA)为例,依据不同淌度粒子所受电场力和流体曳力的竞争机制使得DNA和BSA在不同膜前富集,进而实现二者的区位分离.数值模拟分析了外部压力和不同离子交换膜跨膜电压的影响,其中,入口压力控制通道内的流体流速以影响粒子所受的流体曳力,跨膜电压调节离子浓差极化现象以影响粒子所受的电场力.数值模拟分析表明,双膜系统的分离机制为不同耗尽区产生的高电场对两种粒子施加的电场力与其本身所受的流体曳力的竞争作用,即在第一个膜前BSA所受的电场力小于流体曳力,而DNA的受力则相反.同时,本文揭示了离子浓差极化形成下带电粒子在压力驱动双膜系统的富集机制.结果表明,当V_(cm1)=5V_(T),V_(cm2)=10 V_(T),P_(0)=400 Pa时,DNA和BSA可实现高效的区位分离且二者的富集倍数可分别达到1.2×10^(5)和6.0×10^(4),这将为多带电粒子的同时富集并分离及多级离子浓差极化级联系统设计提供新的思路和理论指导.

激光诱发荧光漂白测速技术的发展与应用(特邀)

微纳尺度流动现象广泛存在于生命科学、界面科学、微纳芯片技术以及材料科学等领域,微纳流体测速技术是研究微纳尺度流动现象及其应用的基础。本文首先介绍了几种主要的微流体测速技术,包括显微粒子图像速度计、粒子追踪速度计、分子标记速度计、光学相干层析技术、磁共振成像测速技术等。然后,详细介绍一种新型的光学微纳流体速度测量技术——激光诱发荧光漂白测速技术,该技术同时具有非侵入性、远场测速、纳米级高时空分辨率等优点,适应目前微纳流控实际研究中对高时间分辨率和高空间分辨率的迫切需求;重点介绍了基于该技术所取得的一些研究成果,包括对微流体电动力湍流和非线性交流电渗流等非稳态、非线性流动等现象和规律的最新研究成果。最后,对该技术进一步的发展进行了展望。

液固界面滑移研究进展

滑移边界条件是流体力学研究中一个悠久而重要的科学问题,在微纳流控研究中备受关注。近年来,对简单流体(如水)在光滑液固界面的滑移长度的量级逐渐取得共识,而对复杂流体在液固界面的滑移研究方兴未艾。本文综述了从简单流体扩展至复杂流体的研究过程中,滑移实验研究的新的测量结果以及理论描述方法。重点介绍了近期Charlaix教授课题组采用表面力仪测量高分子电解液的滑移结果,以从介观角度理解复杂流体在液固界面的滑移及其影响因素。

Janus球形微马达的自驱动机理研究：自扩散泳动与微气泡推进

微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给出全面的描述.针对铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢溶液中发生的自驱动,通过实验和数值模拟分析了其两种自驱动形式(自扩散泳动和微气泡推进)的物理机制和运动特征.直径小于5mm的Janus微球发生自扩散泳动,通过无量纲均方位移随时间的变化揭示了微球平动经历由纯布朗运动、扩散泳动到类布朗运动的过程,给出了特征时间及不同阶段的主导物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主导的旋转特性并讨论壁面限制及剪切流的影响.直径20~50mm微球可观测到微气泡推进,微球位移揭示了随气泡尺寸增长,微球经过自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭推进3个阶段组成的周期运动.Rayleigh-Plesset(R-P)方程则揭示了依次由黏性力、表面张力及气泡周围流体压力控制下的气泡生长标度率.本文还从应用角度介绍了交变电场下,利用介电泳操控Janus微球的微穿梭输运(microshuttle)技术,并讨论了自扩散泳与自电泳差别及微气泡推进型微马达效率提高等问题.