微液滴微流控芯片:微液滴的形成、操纵和应用

微流控芯片中形成的微液滴粒径均一、可控,与传统的连续流体系相比,具有能实现试剂的快速混合、通量更高等优点.本文介绍了微流控芯片中由微通道控制的微液滴的形成、分裂、合并、混合、分选和捕获等微液滴操纵技术,以及微液滴技术在纳米粒子、聚合物微粒的合成、纳米粒子自组装、蛋白质结晶研究和DNA、细胞分析等领域的研究进展.     

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...     

特殊浸润性表面的液滴凝结

以铝片为基底, 经电化学腐蚀和沸水处理制备了多级微纳米结构; 通过气相沉积和涂油分别制备了超疏水表面、 疏水超润滑(slippery)表面和亲水slippery表面; 探究了表面不同的特殊浸润性(超亲水、 超疏水、 疏水slippery和亲水slippery)对液滴凝结的影响. 结果表明, 超亲水表面的液滴凝结属于膜状冷凝, 超疏水表面和slippery表面的液滴凝结均属于滴状冷凝. 超疏水表面液滴合并时, 合并的液滴会不定向弹离表面. 疏水slippery表面和亲水slippery表面由于表面浸润性的不同导致液滴成核密度和液滴合并的差异, 亲水slippery表面凝结液滴的最大体积远大于疏水slippery表面凝结液滴的最大体积. 4种表面的雾气收集效率由大到小依次为亲水slippery表面>疏水slippery表面>超亲水表面>超疏水表面.     

微流控芯片液滴生成与检测技术研究进展

微流控芯片液滴技术是一种操控微小体积液体的新技术,既可实现高通量微观样本的生成及控制,也可进行独立液滴的操作.分散的微液滴单元可作为理想的微反应器,在生物医药中的药物筛选、材料筛选和高附加值微颗粒材料合成领域展现出巨大的应用潜力.液滴微流控芯片是利用流体剪切力的改变,使互不相溶的两相流体在其界面处生成稳定、有序的液滴,...     

微流控液滴技术及其应用的研究进展

微液滴具有体积小、比表面积大,速度快、通量高,大小均匀、体系封闭,内部稳定等特性,在药物控释、病毒检测、颗粒材料合成、催化剂等领域中均有重要应用.微流控技术的发展为微液滴生成中实现尺寸规格、结构形貌和功能特性等的可控设计和精确操控提供了全新平台.本文概述了微流控液滴技术的基本原理、液滴生成方式及其基本操控,比较分析了微液滴的传统制备法与微流控合成法的异同,介绍了近年来微流控液滴技术在功能材料合成、生物医学和食品加工等领域中的研究新进展,探讨并展望了微流控液滴技术的潜在价值和未来发展方向.     

微液滴在仿蛛丝结构TiO_2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO2纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO2纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO2纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝结构TiO2纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.     

微液滴在仿蛛丝结构TiO2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO₂纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO₂纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO₂纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝TiO₂纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

用于"芯片实验室"的静电机制微液滴控制芯片的研制

提出了一种结构简单、可编程控制的离散液滴控制芯片。它以硅为衬底,重掺杂多晶硅为微电极阵列,氧化硅为介质层,碳氟聚合物薄膜为疏水层。它克服了传统连续流传输、混合的局限性及层流条件的限制,通过控制施加在微电极阵列上的电压脉冲时序,成功实现了对离散液滴的快速传输和混合。在30 V驱动电压下,约0.9μL去离子水液滴传输速度可达24 mm/s;在40 V驱动电压下,约0.8μL去离子水液滴和约1.4μL的0.0001 mol/L Rhodam ine液滴在7/30 s内完成了快速混合。另外,还提出利用提高液滴速度及来回晃动混合后的液滴等几种加强混合方法。     

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...     

一种基于介质上电润湿效应的免疫检测芯片研究

利用微机械加工技术,在ITO玻璃上设计制作了基于介质上电润湿效应的以离散液滴为对象的免疫检测芯片,对芯片的液滴驱动特性、免疫反应参数进行了测试,并对小鼠IgG和羊抗鼠IgG-HRP进行了初步的免疫测试.研究结果表明,在电压<100 V的时候,接触角测量值基本上和预测曲线吻合,在>100 V的情况下出现了接触角饱和现象,在芯片上实现了液滴操纵,120 V时得到最大平均速度为3.75 mm/s;该芯片可以实现免疫反应检测,所需样品体积为0.5 μL,检测时间约为20 min,对于羊抗鼠IgG-HRP实验系统的检测范围为0.1～20 mg/L.     

对球状液滴拉普拉斯公式热力学推导方法的讨论

本文针对球状液滴拉普拉斯公式热力学推导方法进行了讨论分析。首先从界面热力学基本方程的建立方法和界面热力学基本方程中作为偏微分的压强的数学定义两个角度进行分析,得出了液滴界面热力学基本方程中,压强为与之平衡的外界气体压强。另外,从实际发生的物理过程来看,本文所质疑的球状液滴拉普拉斯公式的热力学推导方法采用无外力做功时液滴体积增大d V的过程是明显违反热力学第一定律的。     

微流控液滴技术:微液滴生成与操控

微液滴技术因具有高通量两相分割分离能力,吸引众多不同领域研究者的关注.本文回顾了微流控液滴技术领域的一些基本技术思路,涉及微液滴的流控生成方法,包括水动力法、电动法、气动法、光控法等,以及液滴生成后的操控技术,如液滴定向位移、融合、裂分、混合、分选、捕获等,同时对这些方法作了简要评述.     

液滴尺寸与表面张力

液体的滴数问题是化学实验等实际工作中经常遇到的界面问题.液滴体积与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关.但若仅考虑表面张力的影响而忽视密度的作用,则有可能得出不正确的结论.本文从一道考题入手,讨论了表面张力、密度等因素对液滴大小的影响,对考题答案进行了分析.     

电喷雾离子源(ESI)中带电液滴的形成与碎裂模拟

基于电喷雾离子源(ESI)中液流的输运行为,构建了相应的物理模型,并利用Fluent软件对电喷雾离子源中带电液滴的形成与裂变过程进行模拟研究.分别考察了毛细管电压、离子源温度和溶液表面张力3个参数对源内液滴粒径分布的影响.模拟结果表明,较大的毛细管电压、较高的离子源温度和较低的表面张力条件下得到的液滴粒径较小,液滴碎裂效果较好.模拟结果与文献报道及经验公式结果一致.     

液滴模板法制备颗粒材料过程中介尺度结构调控的研究进展

以液滴模板法来制备颗粒材料,可通过对液滴以及颗粒界面介尺度结构的形成与反应的定向调控来实现对固体颗粒功能材料的高效制备和性能强化。深入研究液滴和固体颗粒界面介尺度结构与反应-扩散过程的相互关系及其定向调控规律,揭示反应与扩散过程的机制及其耦合,对于实现反应过程强化与理性调控具有重要的意义。本文主要介绍了液滴模板法制备颗粒材料过程中的介尺度结构调控的研究新进展,着重介绍了界面两亲分子聚集态介尺度结构对液滴形貌的定向调控及对液滴稳定性的影响、以及液滴界面传递与反应对颗粒材料介尺度结构的定向调控,以期为液滴模板法合成颗粒材料的反应过程强化与理性调控提供科学指导。     

液滴微流控系统在数字聚合酶链式反应中的应用研究进展

数字聚合酶链式反应( PCR)技术近年来发展迅速。与以实时荧光定量PCR为代表的传统PCR技术相比,数字PCR技术显著提高了定量分析的精确度和灵敏度。数字PCR的快速发展与近年来微流控技术在数字PCR技术中的广泛应用有着密切的联系。早期的研究和商业化产品使用的是大规模集成流路微流控芯片,加工过程复杂且价格高昂。近年来,液滴微流控芯片被应用到数字PCR技术中,它可以在短时间内产生102~107个微液滴,每一个微液滴都是最多只含有一个目的基因片段的PCR反应器。 PCR扩增后,通过对单个微液滴的观察计数,就可以获得绝对定量的分析数据。本文综述了不同种类的液滴微流控系统在数字PCR技术中的应用,以及液滴数字PCR微流控芯片在生物、医药、环境等领域的应用。     

两个液滴之间的聚并

对于系统中不含杂质时两个液滴在不互溶液体中的聚并过程进行理论分析，得到聚并所需时间与两相物理性质一范德华力的关系，该结果也适用于气泡在液体中的聚并，只要知道系统的物性数据和液滴半径，就可以计算聚并时间，理论预测与实验结果符合较好。     

微量甲醛污染物的液滴采样装置及应用

依据气体分子扩散理论,采用自制模拟风洞液滴采样装置,并结合乙酰丙酮荧光分光光度法,探讨了液滴采样的最优化条件.实验结果表明:自制模拟风洞液滴采样装置在泵选样速度为0.1 mL/min,进样管内径为5 mm,风扇电压为9V的强制气体流动的条件下,采样效果理想,有较高的灵敏度和重现性.