微流控光学器件与系统的研究进展

微流控技术作为微全分析系统的关键与核心,一直是MEMS领域中的一个研究重点。随着微流控技术水平的不断提高以及与其它学科的不断渗透与融合,近年来已经涌现出一批令人注目的研究热点,其中微流控光学器件就是其典型代表。微流控技术与光学器件的融合,为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。叙述了一些基于微流控技术的可变焦光透镜、显示器件、光开关、以及可调光纤光栅等新型光学器件的近期研究成果和应用背景。     

基于微流控技术的新型可调光衰减器

基于微流控技术提出了一种新型可调光衰减器核心芯片结构,利用微流体和可压缩空气实现光衰减的可控调节,并基于此核心芯片设计了两种应用不同驱动技术的微流控光衰减器。通过高斯光束传播理论、亥姆霍兹方程、光场耦合理论与Mathematics软件分析了光衰减器内部光场分布特性,考虑了流体端面衍射影响,给出了流体端面位置与衰减量的关系及响应时间等性能参数。理论表明基于微流控技术的可调光衰减器衰减范围大于50dB,系统响应时间约为0.01s,具有衰减范围大、响应快、插入损耗小、回波损耗大的优点。所提出的光衰减器为寻求小体积、高性能、易集成、灵活可调的新型光通讯器件提供了新的思路。     

光电子技术与器件 其他

TN29 2006032498微流控光学器件与系统的研究进展=Reviewof optical de-vices and systems based on microfluidics[刊,中]/吴建刚(清华大学微电子学研究所.北京(100084)) ,岳瑞峰…∥光学技术.—2006 ,32(1) .—71-74微流控技术与光学器件的融合,为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。叙述了一些基于微流控技术的可变焦光透镜、显示器件、光开关以及可调光纤光栅等新型光学器件的近期研究成果和应用背景。图7参4(严寒)TN29 2006032499基于光纤环形镜的偏振无关的掺镧锆钛酸铅电光开关=Polarization indep…     

磁致旋光增强效应与微量样品旋光检测方法

微流控光学检测系统的微型化和集成化是微流控技术的发展趋势,微量液体物质的旋光检测也是微流控光学技术的重要研究课题之一.分析了内含磁致旋光介质的旋光反射腔的偏光特性,理论预言这种旋光反射腔具有旋光增强效应,在此基础上提出了微量样品的旋光增强检测方法和器件设计原理.研究结果表明,该方法可以在小光程限制条件下显著提高磁旋光介质的检测灵敏度.在不考虑样品吸收的情况下.旋光增强法与普通消光法的检测灵敏度之比的极限约为78.5.该方法可以应用于微流控系统的旋光检测以及实现磁旋光仪器的小型化和微型化.     

基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。     

仿生辐射制冷的研究进展

辐射制冷是一种通过光谱调控来实现降温的新型制冷技术,相比于传统的主动制冷技术,如吸收式制冷、压缩制冷等,具有独特的优势,在环境保护和能源利用方面具有重要意义.本文首先从辐射制冷的基本原理出发,介绍了自然界中生物所具有的辐射降温特性.不同生物通过其材料、微观结构、行为等实现辐射制冷调控,为人类探究新型辐射制冷材料和器件带来了启发.本文也归纳了生物的辐射制冷机制,总结了生物结构的优化方法,并介绍了当前仿生辐射制冷的研究进展,对仿生辐射制冷的研究方向、应用前景和材料制备方法进行了展望.高功率、智能化的辐射制冷材料和器件是未来仿生辐射制冷的重要发展方向,先进微纳加工技术的融入将使仿生辐射制冷在未来具有更广阔的市场和应用.     

微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

可调微流控光学变焦透镜

设计了一种可调微流控光学变焦透镜,采用液压控制,主要结构包括微流道和微流体腔,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料结合软光刻工艺制成.利用COMSOL仿真软件展示了不同液压下微流体腔变形形成的双凸透镜和双凹透镜.利用ZEMAX进行光学仿真,得到各种透镜的焦距及光路图.提出了一种校正双凸透镜球差的方法.     

应用于单分子测序的纳米微结构器件

基因测序技术是现代最为重要的生物医学研究手段之一,单分子测序技术作为最新一代测序技术被广泛研究,并形成了微纳制造、光电子、微流控和分子生物学等多学科的交叉探索和多种技术创新的有机结合.文章系统总结了应用于单分子测序的纳米微结构器件的原理和功能,重点阐述了零模波导器件和纳米孔器件在单分子测序中的作用以及制备工艺,从器件的角度提出了单分子测序技术所面临的挑战.     

刚性微球微流控惯性聚焦过程研究

利用流体的惯性效应实现刚性微球的高通量精确操控是一种新颖微流控方法,其在材料合成、生化反应和医学诊断等领域有着重要应用。本研究为实现刚性微球的等间距聚焦流动,设计制备了基于惯性聚焦的具有多个聚焦单元和鞘液聚焦结构的微流控芯片,实验以直径10μm的聚苯乙烯微球作为模型,考察了在特定微流条件下微球的聚焦效果。结果表明,在乙醇样品液以710μL/min流量均匀流动时,微球自第60个聚焦单元开始聚焦形成单一排列的流型。在已稳定聚焦成单一排列的微球队列上叠加相应条件的鞘液聚焦流,能够增强流动聚焦效果,并可控制微球间的相对距离。上述结果为深入研究微流体环境下刚性粒子的运动特性和开发相关的微流芯片提供了重要参考。     

声学微结构的微流控声场的改进与优化*

受限于加工工艺,目前多数的声表面波微流控芯片,主要依靠普通的直通道调节细胞流速,从而控制微球在通道中的排列。但其形成的声场通常无法满足低能量、多功能的微流控需要。本文在普通声表面波微流控芯片的基础上,分别在频域和时域内构建声学微结构,并改变微结构阵列中铜柱间距,模拟仿真了微流控芯片输出端的电势,发现其输出端电压得到了明显的改善。当输入电信号频率在0-30MHz时,输出端电势增加约0.25V;在0-1000ns内,输出端电势增加0.015V左右;进而可以探索开发性价比更高的声波微流控芯片,针对病理检测等所存在的问题进行分析优化,提出新的细胞分离等技术。     

基于微泡共振的快速微流体声学混合方法研究

微流体在生物医学、化学工程等领域应用广泛,并具有重大意义.在预处理中,液体混合也是关键且最为必要的前序.为了提高微流控腔道内液体混合的效率,本文提出基于单微泡振动的声学混合器,通过微泡共振,产生声微流,声微流形成的剪切力将在流体中产生微扰动,实现液体的混合.设计了底面直径为40μm的微孔结构,由于液体表面张力作用形成微泡,在共振频率为165 kHz的压电换能器激励下,气泡发生共振产生声微流.通过对压电换能器输入不同能量,获取混合液体的最优参数,可在37.5 ms内实现混合效果,混合均匀度达到92.7%.本文设计的单微泡振动混合器结构简单、混合效率高、混合时间短、输入能量低,可为生物化学等方面的研究提供强有力的技术支撑.     

自扩散泳微观转动马达的介观模拟

转动的微尺度马达是一类重要的微流器件.近年来,因为其重要的应用及理论价值引起了学术界的广泛关注.本文提出了一种新型的自扩散泳驱动的微观转动马达模型.通过介观动力学模拟,验证了该模型的有效性.模拟结果表明,该自扩散泳微观转动马达可以单向地自驱动转动,并且转动速度和马达表面发生的催化化学反应速率(即自产生的浓度梯度场强弱)、以及液体分子与马达之间的相互作用有关.此外,研究了两个转动马达共存时的运动行为,重点考察了马达之间的流体力学相互作用和浓度梯度场效应对马达转动的影响.该自扩散泳微观转动马达为设计实用的微流器件提供了新的思路和参考,也为研究活性胶体系统的集体行为提供了理想模型.     

温差驱动微通道内液滴迁移特性数值模拟研究

液滴微流控芯片是以液滴作为基本操作单元的微流控芯片,为实现其应用,需要对其中的液滴进行相应操控。利用温度场可以实现对液滴的迁移、聚合等方面的操控。本文针对温度场操控液滴迁移,采用VOF方法研究温差驱动微通道内液滴迁移特性,并探究温差、液滴尺寸以及液滴类型对液滴迁移特性的影响。研究结果能为温度场驱动的液滴微流控应用提供理论指导。     

制备复合液滴的微尺度流动方法

微尺度流动能够一步到位地制备不同结构和功能、尺寸在微米量级的复合液滴.文章回顾了几种常见的基于复合液滴的微尺度流动方法,包括同轴电雾化、复合流动聚焦、微流控芯片、玻璃微毛细管等,并对各种技术的原理和进展进行了简要概括和分析.在这类流动中,不同种类的流体在一定的几何结构通道或外力场作用下平稳地拉伸成微细射流并最终破碎成复合液滴.在同轴电雾化和复合流动聚焦技术中,从毛细管流出的流体能够形成稳定的锥-射流结构,当外力作用改变时能够形成不同的流动模式.在微流控芯片和玻璃微毛细管技术中,流体被约束在固定管道内,不同管道构型下能够形成不同的流动形态.这些方法都采用纯物理机理,过程稳定、易于操作,制备的复合液滴粒径可控,单分散性好,微观结构可设计,在科学研究和工程实际中具有重要的应用价值.      

基于有限元计算的微流控聚焦装置液滴生成特性分析

研究微流控聚焦装置液滴生成特性是液滴微流控芯片结构优化设计的基础。利用水平集方法结合有限元技术建立了微流控聚焦装置内液滴生成过程的数值计算模型,并分析了分散相与连续相流速比、微流道几何结构对液滴生成机制和液滴生成特性的影响规律。在一定的流速比、微流道入口宽度比范围内,均生成了性态良好的液滴。当分散相与连续相入口宽度比大于1时,液滴尺寸随连续相入口宽度、连续相流速的增大而减小,液滴生成频率随连续相入口宽度、连续相流速的增大而增大;当分散相与连续相入口宽度比小于1时,液滴尺寸随分散相入口宽度增大而增大,随连续相流速的增大而减小,液滴生成频率随分散相入口宽度、连续相流速的增大而增大。数值计算结果表明：微流控聚焦装置液滴生成受几何结构、流速及两相流体物性参数的耦合作用,模拟计算的结果可为微流控聚焦装置结构优化设计提供指导。     

基于分水岭算法的电润湿特性研究

采用一种改进的分水岭变换算法研究导电液滴在微流控芯片表面介质上电润湿效应,获得了一个单像素宽度、连续的液滴边缘轮廓,得到了导电液滴在芯片表面的接触角随外加电势的变化规律,进而计算了导电液体的表面张力。相关结论为新型微流控光学变焦透镜阵列器件的设计和研制提供了依据。     

磁场在微流控芯片中颗粒分离的发展和应用

<正>一、流控芯片技术与磁分离在过去的20年里,随着微纳米先进制造水平的提高,微流控技术作为微电机系统(microelectromechanical systems或MEMS)的一个重要分支,也得到了前所未有的快速发展。微流控(Microfluidics)是指在微尺度条件下(通常在微尺度管道网络内)对流体(体积在10~(-12)到10~(-6) L之间)进行精确操控所涉     

微流控等离子体:新型过程强化技术

作为一种新型高效的过程强化技术,微流控等离子体具备微流控及等离子体技术优势,能够提高反应过程的均一性及稳定性,控制反应接触界面,在增加活性物质的密度的同时避免物种的快速猝灭。介绍了微流控等离子体中的活性组分及相应的表征手段,归纳了几种反应器结构并对比了优缺点。系统阐述了微流控等离子体过程强化技术在化学合成、表面改性、材料制备、污染物检测和生物医学领域中的应用,并立足于当前研究现状对该技术的发展趋势进行讨论与展望。     

微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。