基于数值模拟的微流控芯片涡旋混合器研究

论文摘要

微流体混合是微流控芯片分析技术（lab-on-a-chip）实现过程中不可或缺的一环,因而微流芯片混合器也已成为整个微流控分析系统设计的关键性组成部分。快速均一的混合对于DNA杂交、蛋白质折叠、酶反应等一些需要快速反应的生化过程实现片上分析与研究具有重要的意义。本文回顾了近年来在微流控芯片混合器方面的最新进展,分别阐述了主动式和被动式混合器中的流动现象与混合特性,简要概括了这些不同类型微流混合器的结构、原理和特征。此外,本文从一种具有4入口圆柱混合腔的非平衡水力驱动微流体混合器出发,设计了一种基于涡旋流动而加快混合过程的圆柱型微混合器,并依靠计算流体力学的数值模拟方法,对影响微混合腔内流体混合的参数进行了研究,分析了涡旋混合的过程与机制,在此基础上提出了几组优化的几何结构与尺寸,最终依照这几组设计的模拟结果进行了混合效果对比,确定了最理想的结构与混合参数。另外,本文从模拟优化的结论出发,依靠基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）和玻璃材料的微细加工工艺,在本实验室的现有加工条件下,尝试并发展了一套完整的加工方案,设计制作出了一组实现该圆柱型混合器功能的多层结构PDMS微流控芯片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微流控分析芯片技术
• 1.2 微流混合器
• 1.3 计算流体动力学方法
• 1.4 微混合器的制作材料与加工工艺
• 2 涡旋混合器的数值模拟研究与混合条件参数的优化
• 2.1 流体动力学基础理论
• 2.2 CFD 仿真软件的模拟方法
• 2.3 数值模拟实验的硬件与软件平台
• 2.4 涡旋混合器几何构造的选择
• 2.5 涡旋混合的数值模拟
• 2.6 模拟结果讨论与分析
• 2.7 本章小结
• 3 微流控涡旋混合器的制作
• 3.1 芯片材料
• 3.2 加工仪器与试剂
• 3.3 PDMS 芯片制作流程
• 3.4 作流程图和加工方案确定
• 3.5 涡旋微流混合器的制作结果
• 4 总结和展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献