数字微流控芯片上液滴驱动

为提高数字微流控芯片上液滴驱动能力及效率,开展了数字微流控系统的设计及平台搭建研究,该系统包括上位机控制软件、下位机硬件系统和DMF芯片三部分。提出一种曲边四边形组合电极,该电极图形边缘能与液滴保持更大的重合度,可提供更大的初始驱动力。测试了芯片上空气浴和油浴中液滴的驱动控制,测得在空气浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为25μm/s,在油浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为260μm/s。实验结果表明,所设计的曲边四边形电极可有效增强液滴的驱动控制能力。

基于数字微流控芯片的液滴驱动及检测集成化

为了精确控制数字微流控(DMF)芯片内液滴的位置及运动范围,在液滴驱动行进过程中需及时检测液滴所在位置,这对于液滴在特定位置进行分离、混合或存储具有重要作用。为了更好地实现驱动与检测技术集成,设计了正交矩阵电极,利用电极间电容值差异获得液滴位置,借助分时工作方式通过电极复用实现驱动与检测的结合,既可有效保证液滴的准确控制,又可大大减少引线密度,降低芯片加工难度。实验结果表明电极上有无液滴时电容值差异明显,差值最大可达1 400 fF,且可靠性良好,电容值误差范围保持在2%以内,经可见光图像验证,液滴位置检测准确率可达100%。根据检测到的液滴位置,利用搭建完成的数字微流控系统为液滴规划路径,完成了高锰酸钾与维生素C溶液的褪色反应,证明本系统可实时完成液滴的可控驱动与准确检测。

热功转换实现冷态液滴驱动的实验研究

液滴操控是微流控领域的关键技术.基于Leidenfrost效应驱动液滴实现热功转换的方式获得广泛关注,然而该方法基于高温环境,同时工质消耗较大,热功转换效率低.本文将部分沸腾传热面与超疏水表面相结合,利用冷态液滴和过热壁面之间部分沸腾产生的动力驱动液滴直线运动,实现低工质消耗与高热功转换效率.实验系统主要包含两个功能性表面:水平超疏水表面和竖直部分沸腾换热面,部分沸腾换热面布置在超疏水直通道的两侧.建立了随竖直换热面温度变化的液滴振荡运动分区图,在部分沸腾模式下,液滴撞击壁面实现热功转换并加速,同时液滴在两侧壁面之间振荡运动,其平均撞击频率达到8.3 Hz,平均运动速度达到156.2 mm/s.在原本平直的轨道上液滴出现了纵向振荡,其纵向偏移量的峰值随着液滴直径的减小表现出增加的趋势.该纵向运动由液滴发生接触沸腾产生的驱动力切向分量强化,在液滴重力作用下被抑制,二者的相对大小决定了液滴纵向振荡运动规律.本文提出了冷态液滴驱动新思路,有望在微流控等领域得到重要应用.

一种基于声表面波驱动液滴的二维数字微流体检测技术

在128°YX型LiNbO3衬底上制造了铝叉指电极对,实现了利用声表面波(SAW)对液滴进行驱动.对驱动原理、衬底材料选择进行了详细阐述,说明了选择L iNbO3作为衬底的合理性.在详细分析驱动力和阻滞力的基础上,构造了液滴运动理论模型,同时对理论模型进行了实验验证.实验结果表明,实验中液滴在移动距离较小时与理论模型吻合.提出一种用显著减小阻滞力的选择性沉积疏水导轨和实现步进移动的调制电源来实现二维数字微流体检测技术.

基于各向异性表面的液滴驱动

驱动液滴实现各种动态行为在生物医学、微流控、痕量检测等领域具有重要应用。液滴的驱动主要依赖于对液滴不同位置受力的调节。具有浸润性差异或结构差异的各向异性表面,在对液滴进行驱动时具有操作简便、节约能源等优势,逐渐成为液滴操控领域的研究热点之一。本文结合本课题组的研究工作,对近年来利用各向异性表面驱动液滴的相关研究进行了综述。首先,分析了各向异性表面驱动液滴的基本原理。依据制备方法的不同,将各向异性表面分为浸润性各向异性表面、结构各向异性表面和协同各向异性表面三类,分别归纳了其常见制备方法和在液滴驱动领域的主要应用。最后,本文对各向异性表面驱动液滴的局限性和发展方向进行了总结和展望。

仿生多微纳米梯度界面的液滴动态行为调控

对液滴在界面上动态行为的研究是化学和材料领域的一个重要方向,许多先进的表面和界面技术,比如集水、防覆冰、防雾、微流体控制和传热等,均属于这一范畴。通过模仿自然界中具有特殊微纳米结构和特定化学组成的生物表面,设计并构筑相应具有特殊浸润性的仿生界面,对仿生界面材料的技术应用起到了良好的先导与示范作用。本文结合本课题组的研究工作,以自然界中具有特殊微纳米结构和梯度特征的生物表面为出发点,分别从仿生多微纳米梯度界面的雾滴传输聚集调控、低温憎水/防覆冰动态调控、微液滴驱动调控3个方面,综述了近年来仿生多微纳米梯度界面的液滴动态行为调控方面的代表性研究工作,并对该领域的研究现状做出了总结和展望。

溶质梯度诱导悬浮液滴自驱动的数值模拟研究

悬浮液滴在溶质浓度梯度下会发生自发的移动.其原因是液滴界面处的非均匀分布溶质会使得流体界面上出现界面张力梯度,诱发界面流动.该过程涉及自驱动液滴的界面移动、界面附近流场与溶质浓度场的演化,以及多物理场的耦合效应.认识和理解这一复杂动力学过程具有一定的基础科学意义.文章通过联合守恒型Allen-Cahn方程、不可压Navier-Stokes方程和溶质的对流扩散方程,构建了一套能够描述溶质梯度诱导液滴自驱动现象的多相-多组分流体数值模型.通过算例对照和理论对比(静置液滴的拉普拉斯压差、浮力驱动的气泡上升和溶质浓度驱动液滴的迁移)验证了数值模型的准确性.模拟并研究了不同Marangoni数下溶质Marangoni效应诱导的双液滴融合或分离现象.结果表明,液滴的尺寸越大,移动速度越快,且增大Marangoni数使得自驱动液滴界面传质从扩散主导转变为对流主导,增强了液滴移动对环境溶质场的影响,进而推迟两液滴的融合发生时刻或者减小两者的分离速度.为后续解决多相-多组分流体系统中的物理问题提供了一套可靠的数值模型,为多组分微液滴操控提供了参考数据.

开放式数字微流控驱动器设计、制造与性能评价

基于介质上电润湿(electrowetting-on-dielectric,EWOD)技术的数字微流控技术可以对微量液滴进行灵活操作,近年来日益成为微流控领域的研究热点.本文基于开放式数字微流控驱动器的基本原理,旨在提供器件改进的途径,提出了EWOD器件的性能评价与优化方法.设计制造了不同电极形状的EWOD器件,通过实验对比了不同电极结构的性能,分析了EWOD器件性能改善的内在原因.本文提出的开放式数字微流控驱动器设计思路与评价方法可以为EWOD器件以及基于EWOD技术的数字微流控芯片设计起到指导作用.

基于红外光强的数字微流控系统定位

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了一种基于红外光强的DMF系统定位方法,该方法可以在驱动控制液滴的同时,实现无输入参数的液滴精准定位。进一步基于该定位方法,实现了DMF系统的反馈控制。最终实现了一套具备液滴驱动、定位和反馈功能的DMF控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高DMF系统应用的成功率和可靠性。在同样的芯片参数结构下,成功率提高了约38%。同时设计的控制系统可以为其他研究基于EWOD的DMF系统的研究团队提供一个可靠的自动化实验平台。

基于面板工艺的数字微流控芯片

针对传统数字微流控芯片电极数量少和制造成本高的问题,对基于面板工艺的数字微流控芯片进行了设计、制备和验证。引入现有成熟的液晶面板设计与制造技术,在玻璃基板上完成金属、绝缘层、有机膜、ITO等膜层的图形化加工。结合常规半导体旋涂工艺,完成疏水层的制备。实验成功地制备出一种集成有480个电极的单基板数字微流控芯片样品。通过合理的驱动电极排布与驱动信号时序设计,实现了低成本化的微流控芯片的设计与制造。对于所设计的微流控芯片进行了功能验证,实现了液滴的连续移动,最低驱动电压可达到25 V,可驱动液滴的体积范围为8~50μL。还通过系统化的实验对芯片的有效工作条件进行了验证。

基于微悬臂梁技术对固液界面间横向摩擦力的检测

研究固液界面上的力学行为对于界面科学和工程应用具有重要意义,如何检测液滴在材料表面的横向摩擦力一直是界面领域研究的难题之一。本文基于微悬臂梁传感技术和视觉图像分析技术,设计并搭建了一套固液横向摩擦力检测系统,将毛细管端部的弯曲程度与固液界面的相互作用力建立关系,实现对固液界面间横向摩擦力的精确测量;通过对水滴在疏水界面运动过程的检测,分析液滴运动时固液界面横向摩擦力的变化,并验证系统检测数据的准确性与可行性。结果表明,固液界面间横向摩擦力的变化与液滴体积以及表面润湿性有关,液滴体积以及材料表面润湿性的增加导致横向摩擦力的增加;液滴动态接触角的变化与其固、液、气三相接触线的运动速度有关,随着相对速度的增加,固液界面间的静摩擦力也随之增加。

静电气喷磁响应复合微结构功能表面制备研究

提出一种静电气喷法制备磁响应超疏水复合微结构表面以实现微流控液滴传输与驱动应用。首先利用静电气喷法将微米级羰基铁粉和PDMS(Polydimethylsiloxane)混合喷涂到置于磁场中的基底以构建磁响应超疏水表面,热固化后再在表面喷涂纳米碳粉以形成磁响应超疏水复合微结构表面;通过扫描电镜和显微镜分析复合微结构表面形貌,通过接触角测量仪检测功能表面的湿润性,利用液滴与表面的接触和碰撞实验测试表面的黏附性能,以磁响应特性为基础的复合微结构功能表面进行液滴驱动和定向分配应用测试。磁响应超疏水表面和复合微结构表面表现出不同的形貌和性能,喷涂纳米碳粉可以获得微纳米复合结构从而显著提升表面的疏水性和降低表面的黏附性。利用静电气喷法简单有效地制备出的磁响应超疏水复合微结构表面具有优异的超疏水性能和极低的黏附性,从而能实现不同液滴操作,具有广泛的应用前景。