微流控分析系統(tǒng)中基本物理參數(shù)測量技術的研究.pdf

1、在微流控分析系統(tǒng)微米尺度結構中，流體的傳質、傳熱過程與宏觀條件下有很大區(qū)別。深入研究和掌握微狀態(tài)下相關物理參數(shù)的狀況變化是微流控分析系統(tǒng)基礎理論研究所必須的，但至今在相關文獻中報道甚少。對相關參數(shù)測量所使用的技術平臺或較為復雜，設備昂貴，或不能完全滿足相關研究的需要。本論文對微流控系統(tǒng)中的三個重要的物理參數(shù)——微結構的形貌和尺寸、微反應體系的溫度、微流體流速的測量技術進行了系統(tǒng)研究，提出了一套投資較少，適于在一般分析實驗室中推廣又易于實

2、現(xiàn)的測量方法。 工作中首次提出了基于PDMS復制和CCD成像的芯片微結構非破壞性的測量方法。用PDMS固化得到與被復制結構互補的高保真PDMS復制模型，并成功研制了專用的切割工具將PDMS復制模型制成觀測切片。該法成功用于各種材料的微芯片結構表征。測量形貌與尺寸和其它標準工具測量結果一致，且對芯片無破壞。以此方法進行微結構特征尺寸測量，相對標準偏差小于4％。其結果同萬能工具顯微鏡(寬度測量)及探針輪廓儀(深度測量)相比，絕對偏差

3、小于0.9μm。本方法在測定復雜微結構時失真度顯著小于機械探針式輪廓儀。 對于微流控系統(tǒng)中微流體溫度的測量，本研究中在相關文獻基礎上建立了非接觸的、具有微米級空間分辨率和分秒級時間分辨率的、基于熒光指示劑羅丹明B熒光強度變化的測溫體系。系統(tǒng)首次采用了熱輻射小、對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的較大測量范圍。為克服測量范圍擴大所帶來的光照不均勻以及光源的波動

4、、CCD攝像機隨機噪聲、背景不均勻等因素對圖像數(shù)據產生的噪聲，對圖像進行了濾波、逐點移動平滑處理、多幅圖像平均以及逐點校正等處理。實驗通過測量玻璃微通道內外的溫度差、溫度梯度芯片的溫度梯度、溫度梯度加熱器所產生的空間溫度分布及隨時間的變化情況，對測量系統(tǒng)的測溫精確性進行了驗證。 微流控系統(tǒng)中的溫度測量大多是在控溫的基礎上進行的，本研究中為不影響熒光指示劑測溫的實施，提出以透明的ITO薄膜導電玻璃作為加熱元件和配套平臺，采用PID

5、控制算法設計制作微流控芯片溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時控制精度在±0.1℃，溫度上升時一般在20-30s即可達到穩(wěn)態(tài)，過沖一般不超過0.5℃。 在微流體速度測量方面，依據本研究第一部分工作中建立的顯微圖像采集設備，以1μm粒徑的熒光微珠作為示蹤粒子跟蹤液流流動，建立了應用于微流控芯片系統(tǒng)中的測速系統(tǒng)，可對μm級通道尺寸的微結構中流體流速的空間分布進行測量。系統(tǒng)結構簡單，對微流體不產生擾動，測速范圍在1μm/s到1mm/s之間。研究中