用于微流控液滴检测的共焦激光诱导荧光检测系统

以发射波长为473nm的二极管泵浦激光器为激发光源,搭建适于微流控液滴检测的共聚焦激光诱导荧光检测系统.系统玻璃芯片采用简易加工技术加工而成.并用2%十八烷基三氯硅烷将微通道处理为具有强疏水性质.荧光素钠溶液在T形通道交叉处被十四烷剪切形成液滴,液滴流经检测点时被激光诱导荧光系统检测.荧光素钠的检出限为1.1×10<'...     

基于双层电极的介电电泳微流控芯片的设计和制备

设计了快速实现微粒操纵的介电电泳微流控芯片的制作方法,利用光刻工艺在玻璃基底上制备和集成了双层金属电极,通过控制底层电极上的电场,实现了顶层电极上微粒的介电电泳物理捕获,模拟分析和实验结果一致.     

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。     

PDMS微流控芯片中焦耳热效应的数值研究

用数值模拟的方法对矩形通道微流控芯片中由于焦耳热效应而产生的温度场分布进行了分析.通过求解耦合的动量以及能量方程,得到了PDMS/PDMS芯片中温度场的瞬态发展过程.对稳定状态下不同缓冲溶液浓度,底片材质以及厚度的芯片中的温度场分布也做了比较和分析.结果表明,相比于PDMS/PDMS芯片,相同条件下PDMS/玻璃芯片中的焦耳热效应会减小很多,而缓冲溶液浓度以及芯片厚度对缓冲溶液的出口平均温度也有显著影响.最后提出了减小焦耳热效应的方法.     

新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为“光输入阵列+光交换空间+光输出阵列”的结构,采用“水/油/水”液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围（30~110 V）内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约－15°~15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.     

新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为"光输入阵列+光交换空间+光输出阵列"的结构,采用"水/油/水"液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围(30～110V)内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约-15°～15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.     

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。     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

微射流放大器内部三维流动数值模拟

采用三维流动求解器CFD-ACE ,以水作为工作介质,对不同流动工况的偏向型微射流放大器内部三维流场进行了数值模拟,得到了流场的压力分布图和速度矢量图,并通过计算得到平均流量增益曲线,将偏向型微射流放大器内部流场分析与外部运行特性分析有机地结合起来,为实验方案的优化提供了依据。     

复杂结构微流体芯片中的瞬态流型研究

在低质量流速和高热流密度下,对复杂结构微流体芯片中的流动沸腾进行了瞬态流型研究,发现了毫秒级微时间尺度的周期性流型和微通道中的分层流.在单个微通道区域,液膜沿流动方向逐渐增厚且蒸干总是首先发生在其上游区域,而在不同微通道区域间,下游微通道首先蒸干.分析表明,液相弗劳德数(Froude number)较低是微通道中分层流存在的原因.高沸腾数(Boiling number)引起汽液界面较大的剪切应力从而使液体不断向微通道出口处聚集,引起液膜厚度沿流动方向逐渐增厚.     

湍动雾化射流液雾粒径分布的数值模拟

对水在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.其中,气体流场采用k-ε湍流模型进行模拟,给出了载气轴向速度的分布情况.对喷雾粒子的运动采用颗粒轨道法,建立粒子破碎和碰撞的数值模型,研究了液雾粒径在不同工况下沿轴向的变化趋势.数值模拟结果与实验结果在多种气液比下进行了比较,两者吻合较好.同时,分析了初始粒径和粒子总数及喷嘴尺寸对液雾粒径变化趋势的影响,讨论了有助于粒径均匀分布的条件.     

多核环境下的分子动力学模拟

本文在多核环境下,使用OpenMP实现了经典分子动力学模拟程序的并行;同时对分子动力学模拟进行了两项主要的优化:分子排序及运用SIMD指令运算.在4核下获得了4.13倍的计算性能提升,将经典分子动力学模拟的模拟规模提高至4000分子×10~7模拟总步数.     

纤维素热解过程的分子动力学模拟

本文利用 PM3 方法对生物质主要组分纤维素进行了结构优化并得到了一系列的结构参数.对不同力场下,聚合度为 9 的纤维素单链热分解进行了分子动力学方法模拟研究,得到不同力场下的模拟过程中参数.通过与相关生物质热解实验结果对比,利用 Amber 力场模拟得到的结果与实验值吻合较好.基于 Amber 力场并结合量子力学对纤维素单元热解过程进行了研究,模拟得到纤维素单元分子链在加热过程中的主要分解温度范围、断键顺序以及一次热解的基团,并对一次产物进行了分析.     

深空环境下液滴辐射相变过程分析模拟

太空中固体粒子比液体粒子对航天器危害性大,计算液滴相变时间和温度变化对评估粒子危害性有重要意义.本文建立了太空环境下液滴辐射相变模型,分析了三种相变凝固模型,估计了水滴蒸发量,考虑了太阳辐射对液滴温度变化的影响,分别计算了水和氧化铝液滴的温度变化.结果表明:液滴粒径越小液滴冷却速率越大,三种相变凝固模型的相变时间差别较小;水滴蒸发比例均大于10%,其蒸发量不可忽略;水滴受太阳周期性辐射时,其温度在50 K至266 K之间周期性振荡变化.     

分形理论在分子动力学模拟中的应用

本文基于分形理论提出了一个假说,认为实际流体分子的无规运动可以用分数布朗函数作为概率密度函数来描写,而其分数维数可根据分子运动的图像确定。本文以流体Ar作为对象进行了分子动力学模拟,根据分子动力学模拟的结果提取了运动的分数维数,构造了描述分子无规运动的分数布朗函数,并对所提出的假说进行了验证。     

爆发沸腾形核分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了液氮和水爆发沸腾中均相形核能量转换过程,通过计算系统势能变化分析了热流量和高能分子团尺寸对形核过程能量转换的影响,并分析了水和液氮爆发沸腾形核区别.结果表明,热流量与高能分子团半径的增加都会使系统中的势能转化增加.在模拟后期,水的势能转化趋于平稳,液氮势能转化逐渐升高,这与液氮与水分子之间的相互作用有关.     

扩散系数的分子动力学模拟

本文选用平衡分子动力学模拟方法,应用不同的势能模型对强极性分子水的扩散系数进行了模拟计算．结果表明,用分子动力学模拟方法计算水的扩散系数时,模拟结果对模型的选取极为敏感。在目前应用较为广泛的几种模型中以 SPCE模型较为适用,所得的扩散系数与实验值较为接近。