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十字交叉沟通微通道芯片的微液滴生成研究

作　者: 马晓东
导　师: 蒋稼欢
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 微通孔结构微液滴微丝模塑微流控软件界面集
分类号: Q503
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于对流动微型化以及离散操纵的需要,在微流控技术方式下的液滴生成技术及其实验应用正在化学与生命科学等许多领域中引起越来越多的关注。以前的许多工作表明,一定微加工工艺下形成的微流控通道结构对于其中液滴的生成行为具有重要影响。本论文主要探讨基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)微丝模塑工艺构建出的十字交叉沟通微通道装置的微液滴生成能力。首先,探讨这种微通道装置在气液两相流控操纵下十字交叉沟通通孔处的液流隔断能力。实验中以纯水与压缩氮气为介质,沟通通孔以上下交叉相切的两相同直径(分别为20μm,40μm,60μm,80μm)的圆形微通道来形成,其中一根通道作为充液微通道,另一根作为充气微通道。结果表明:充液微通道中液段推进所需的充液入口压力ΔP1(液滴推进压力),以及充气微通道隔断液段生成液滴的充气入口压力ΔP2,(液滴截取压力)均随通道直径的增大而减小;一定阈值以下的液滴量的按需程度可只由液滴推进压力ΔP1决定,而不依赖于液滴截取压力ΔP2;当PDMS微通道内表面呈亲水性时,液滴隔断生成的阈值量为0.157pL(相当于20μm直径微通道内液柱长5μm),而在内表面作磷脂修饰时,这一阈值量下降至0.064p L(相当于20μm直径微通道内液柱长约2μm)。同时,对这种交叉沟通微通道的流控操纵下所隔断生成的液滴的破裂情形也作了讨论。进一步实验表明,利用这种单十字交叉通孔不但可以按需生成液滴,而且在一定条件下也可以连续生成微液滴(油或水)。其方式是首先要对液滴形成通道(充气通道)的内壁及交叉通孔处作磷脂裱涂修饰。当充气通道中气体流量与充液通道中液体(油或水)的流量比在2/3~9/10的范围内,这种装置均可连续生成微液滴,液滴的体积随着流量比的增加而减小,频率可达到中等通量以上。其次,探讨沿单根通道上形成的多个十字交叉沟通通孔结构的并行流控液滴生成行为。实验时,以单通道为充气微通道,其余与之交叉的并行通道为充液微通道。结果发现,这种沿着单通道上并行的多个十字交叉微通孔结构,也类似单个十字交叉沟通那样可以形成液滴;在这些并行通道以ΔP1各充以确定长度的液流通过沟通通孔后,在单通道中施加ΔP2,即在每根并行通道中按需生成所需微体积量的液滴的条件,且沿着压降方向在各并行通道中的液滴隔断有一定时间差,其时间大小依赖于交叉通孔间距与几何状况,当间距在100~200μm时该值约0.5s。第三,探讨单十字交叉微通孔的液/液两相流生成液滴的行为。实验中,一根通道注入卵磷脂(油)溶液,另一根通道注入纯水。结果表明,在4组直径(20μm、40μm、60μm、80μm)的单十字交叉微通孔结构中,只有60μm、80μm两组才能在交叉通孔下游1.5mm处形成水包油液滴,并且液滴体积大小严格依赖于油/水两者的流量比,即当油液流量比水流量大1μL/min左右才能稳定形成水包油液滴,液滴体积随着油/水流量比的增加而增大,均一度良好。如果油/水流量比在10/9 ~15/14μL/min,水包油以微小液滴(直径3~5μm)急剧生成。最后,基于液滴生成观察的显微录像系统、微粒子图像测速(Micro-PIV)技术与通道内接触角的图像分析等过程,编程构建了与液滴制备与分析过程相关的界面,为进一步获取液滴内部信息等过程提供了一个初步集成的软件平台。作为上述十字交叉沟通微通道装置生成液滴能力的具体应用,初步考察了两个生物学上的例子,一是利用来生成皮升级DNA溶液液滴,以供DNA的各种微分析之用;二是操纵微液滴来实现在微升级溶液中分隔出单细胞,以供未来作单细胞的实验分析之用。综上结果表明,基于十字交叉沟通的微通道结构,在外围辅以适当的气/液流控方式下,可有效地按需隔断生成纳升级-皮升级微液滴,达到以下十分明显的技术效果:①微通道及结构加工十分简单;②流控操纵时所需要施加的压力值小;③可按需生成微液滴,其体积可低至皮升级,甚至达到飞升级;④气液流控条件下,按需生成微液滴的频率可以达到中等通量以上;并且液滴大小的均一性相当好。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-21
  1.1 问题的提出及研究意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-19
    1.2.1 微流控技术  11-12
    1.2.2 微流控芯片的构建  12-14
    1.2.3 微液滴技术  14-16
    1.2.4 Micro-PIV 技术  16-17
    1.2.5 微液滴应用  17-19
  1.3 研究目的和内容  19-20
    1.3.1 研究目的  19
    1.3.2 研究内容  19-20
  1.4 技术路线  20-21
2 微流控芯片的制作方法  21-31
  2.1 微通道制作的材料及方法  21-26
    2.1.1 材料  21-23
    2.1.2 微通道构建方法  23-26
  2.2 不同结构微通道  26-30
    2.2.1 直通道芯片  26-28
    2.2.2 十字交叉微通道  28-30
  2.3 小结  30-31
3 气/液两相流动操纵下的微液滴生成  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 实验方法  31-35
  3.3 单十字交叉沟通微通道装置液滴的隔断生成  35-38
    3.3.1 不同通道直径对截取液滴所需压力的影响  35-36
    3.3.2 液滴形成长度与入口压差的关系  36
    3.3.3 液滴打碎情形  36-37
    3.3.4 微通道内部涂覆磷脂对液滴生成截断压的降低作用  37-38
  3.4 单十字交叉沟通微通道装置液滴的连续生成  38-40
  3.5 多个并行十字交叉沟通通孔的微通道装置中的液滴生成  40-42
  3.6 小结  42-43
4 液/液两相流动操纵下的微液滴生成  43-47
  4.1 液液两相流制备液滴  43-44
  4.2 结果与讨论  44-46
    4.2.1 油水的流量差  44
    4.2.2 液滴生成的相对位置  44-45
    4.2.3 油滴大小与油水的流量相关  45-46
  4.3 小结  46-47
5 微液滴形成过程与分析的界面集成与应用  47-56
  5.1 引言  47
  5.2 视频图像预处理以及接触角分析  47-49
  5.3 微液滴图像的矢量分析  49-51
  5.4 数据存储  51-52
  5.5 微液滴生成技术的应用例子  52-55
    5.5.1 DNA 液滴的制备  52-54
    5.5.2 微液滴技术分离细胞  54-55
  5.6 小结  55-56
6 结论及后续工作建议  56-58
  6.1 结论  56
  6.2 后续工作建议  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-67
附录  67-74

十字交叉沟通微通道芯片的微液滴生成研究

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