（精密仪器及机械专业论文）微流道内压力驱动流数值模拟研究.pdf

微 为主要 等过程 采用理 运规律 1 存在的 基于多 2 上，分 及修正 3 感应电 的c o m s o l 软件数值模拟了光滑微流道内的压力驱动流，其结果与线性解析解 进行比较，以验证c o m s o l 软件求解的正确性与精度。通过c o m s o l 分别对 亲水材料和疏水材料制作的微流道内流体的双电层电势分布、平均流速、体表 粘度比、摩擦系数以及流动电势进行了数值模拟。研究表明，随着特征长度和 z e t a 电势的减小，双电层电势分布由“塞状 向抛物线过渡；在考虑动电效应的 情形下，微流体的平均流速小于宏观流体的平均流速，流道中心的流速减小， 电粘效应加强，微流体的表观粘度增大，且摩擦系数大于宏观流体的摩擦系数， 流动电势随着特征长度和外加压力的增大而增大，随着电解质溶液浓度的减小 而增大；疏水材料制作的微流道边界存在滑移速度，与亲水材料制作的微流道 相比，其流体的平均流速和流动电势有所增加，疏水材料起到减摩的作用，表 观粘度有所降低。上述研究对进一步缩小微流控芯片的尺度具有参考价值。 4 建立了3 d 的矩形光滑微流道物理模型，推导了二维双电层电势分布、感 应电场和流场速度分布的线性解析解和非线性完全数值解，并应用m a t l a b 软 件编写p b 方程、感应电场方程和n s 方程的离散化网格程序，求解上述方程 的完全数值解。研究表明，由于矩形微流道的边角奇异性，导致边角处的电势 摘要 分布变化平缓，“回流现象更加明显；当液力直径一定时，随着深宽比的增大， 平均流速和流动电势增大，而体表粘度比和摩擦系数都有所减小，当深宽比为1 时，上述变化趋势达到极限；液力直径、电解质溶液浓度和外加压力等也是动 电效应的影响因素，上述影响因素与矩形微流道内的平均流速、体表粘度比、 流动电势和摩擦系数等流体特性参数的关系，类似于上述动电效应的影响因素 与平行板微流道内流体的特性参数的关系；矩形微流道内流体的摩擦系数大于 平行板内流体的摩擦系数。上述研究为实现精确且定量地控制微流控芯片中流 体的流速提供参考依据。 5 研究了y 型微流道的分流传输以及复杂u 型微流道的样品传输模型。结 果表明，动电效应阻碍了y 型微流道中流体的分流传输，使得体表粘度比减小 摩擦系数增大；在复杂u 型微流道样品传输的过程中，“回流 现象大大减弱 了溶液的对流与扩散，使得样品传输过程中浓度不均匀一致的现象更加严重， 所以要尽量避免“回流”现象的发生。 关键词：压力驱动流：动电效应；z e t a 电势；流动电势；摩擦系数 l l a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i p s ，w h i c hi sb a s e do nm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n d m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m a i n l yr e s e a r c h e sl i f es c i e n c ea n da n a l y t i c a lc h e m i s t r y , s t u d i e st h es a m p l i n g ，r e a c t i o n , d e t e c t i o na n ds e p a r a t i o np r o c e s so ft h er e a g e n ti nt h e m i c r o c h a n n e l sn e t w o r k , t h em a j o rw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i sp r o c e s si st oc o n t r o lt h e r e a g e n tf l o wi nt h em i c r o c h a n n e l s t l l i sp a p e rf o c u s e do nt h em a j o ri s s u e so f t h es c a l e e f f e c t , s k i ne f f e c ta n dt h es l i pe x i s t i n gi nt h em i c r o f l u i d i cc l i p s ，e m p l o y e dt h e c o m b i n i n gm e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y z e sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n g ，c o n d u c t e dt h e t r a n s p o r tl a wo f t h ep r e s s u r e - d r i v e nf l o wi nt h em i c r o c h a n n e l sa ss y s t e mr e s e a r c h t h em a i nr e s e a r c ht a s ko ft h i sp a p e rf sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep a p e rs t u d i e dt h eh i s t o r ya n ds t u d ys i t u a t i o no f t h em i c r o f l u i d i cc h i p s a th o m ea n da b r o a d , i n t r o d u c e dt h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o n t r o lm e c h a n i s mo ft h e e l e c t r o k i n e t i cp h e n o m e n aa n dm i c r o f l u i de x i s t e di nm i c r o f l u i d i c s ，a n dt h eb a s i c i s s u e so fm i c r o f l u i dm e c h a n i c s ，m o r e o v e r , i td e d u c e dt h er e s e a r c hd e t a i l sb a s e do n t h ef e a t u r e so ft h em u l t i p h y s i c sc o u p l i n g s e c o n d l y , u n d e rt h em i c r o s c a l e ，t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ee l e c t r o k i n e t i ce f f e c ti n t h ef l o wc h a n n e la n db a s e do nt h et h e o r yo ft h em a c r o s c o p yh y d r o m e c h a n i c s ，i t a n a l y z e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h em i c r o f l u i d i c s ，d e d u c e dt h ep - be q u a t i o no f t h ep o t e n t i a li nt h ee l e c t r i c a ld o u b l el a y e r ，i n d u c e de l e c t r i cf i e l dp o t e n t i a la n dt h e a m e n d e dn - sp o t e n t i a l ，t h e s ew o r kp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ew h o l et e x t t h i r d l y , i t h a db u i l to n a2 dp h y s i c a lm o d e lo fs m o o t hp a r a l l e l p l a t e m i c r o c h a n n e l s ，i n d u c e dt h el i n e a ra n a l y t i c a ls o l u t i o na n dn o n l i n e a rc o m p l e t e n u m e r i c a ls o l u t i o no fd i s t r i b u t i o no ft h ep o t e n t i a li ns i n g l e - d i m e n s i o n a le l e c t r i c a l d o u b l el a y e r , t h ei n d u c e de l e c t r i cf i e l da n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l ds p e e d ， a n da p p l i e dt h er e s u l to ft h es i m u l a t e dp r e s s u r e d r i v e nf l o wb a s e do nt h ec o m s o l s o f t w a r ed a t ao ff e mi ns l i c km i c r o c h a n n e l st ob ec o m p a r e dw i t hl i n e a ra n a l y t i c a l s o l u t i o nt ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft h ec o m s o ls o f t w a r e b ym e a n so f c o m s o l ，t h i sp a p e rm a d eas e p a r a t es i m u l a t e dc a l c u l a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o no ft h e p o t e n t i a li ne l e c t r i c a ld o u b l el a y e r , t h ea v e r a g ef l o ws p e e d ，t h er a t i oo fb u l kv i s c o s i t y a b s t r a c t t oa p p a r e n tv i s c o s i t y , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h es t r e a m i n gp o t e n t i a lo ft h ef u i di n t h em i c r o c h a n n e l s ，w h i c hw a sm a d eo fh y d r o p h i l i cm a t e r i a lo rh y d r o p h o b i cm a t e r i a l r e s e a r c h e ss h o w e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep o t e n t i a li ne l e c t r i c a ld o u b l el a y e r w e n tf r o mp l u gt op a r a b o l a 笛t h ed i m i n u t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i cl e n g t ha n dt h ez e t a p o t e n t i a l ；c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o no fe l e c t r o k i n e t i ce f f e c t , a l lt h ec a s e sc o u l db e p r e s e n t e db e l o w ：t h ea v e r a g ef l o ws p e e do fm i c r o f l u i dw a sl o w e rt h a nt h a to f m a c r o f l u i d ，t h ef l o ws p e e di nt h ec e n t r eo ft h ef l o wc h a n n e lb e c a m es l o w e r , t h e e l e c t r o - v i s c o u se f f e c te n h a n c e d ，t h es u r f a c ev i s c o s i t yo fm i c r o f l u i di n c r e a s e d ，a n dt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a sl a r g e rt h a nt h a to fm a c r o f l u i d ，a d d i t i o n a l l y , a l o n g 丽mt h e c h a r a c t e r i s t i cl e n g t ha n dt h ei m p r e s s e dp r e s s u r e ，t h es t r e a m i n gp o t e n t i a li n c r e a s e d ， a n dd e c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o l y t es o l u t i o nw e n tu p ；o t h e r w i s e ， m i c r o c h a n n e l s ，m a d eo fh y d r o p h o b i cm a t e r i a l ，h a ds l i ps p e e do nt h eb o r d e r ， c o m p a r e d 、) l ，i t l lh y d r o p h i l i c m a t e r i a lm i c r o c h a r m e l s ，t h ea v e r a g ef l o ws p e e da n d s t r e a m i n gp o t e n t i a lo ff l u i di n c r e a s e d ，h o w e v e r , h y d r o p h o b i cm a t e r i a l h a dt h e i n d u b i t a b l ee f f e c to fc o e f f i c i e n t , t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yc o u l db ea l l e v i a t e d t h e r e s e a r c ha b o v eh a dr e f e r e n c ev a l u eo fr e d u c i n gt h es c a l eo fm i c r o f l u i d i cc h i p sf u r t h e r m o r e f o u r t h l y , t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e da3 dp h y s i c a lm o d e lo fr e c t a n g l es l i c k m i c r o c h a n n e l s ，i n d u c e dt h e l i n e a ra n a l y t i c a l s o l u t i o na n dn o n l i n e a rc o m p l e t e n u m e r i c a ls o l u t i o no fd i s t r i b u t i o no ft h ep o t e n t i a li nt w od i m e n s i o ne l e c t r i c a ld o u b l e l a y e r , t h ei n d u c e de l e c t r i cf i e l da n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l ds p e e d ，a n d a p p l i e dm a t l a bs o f t w a r et oc o m p i l ep - be q u a t i o n ，i n d u c e de l e c t r i cf i e l de q u a t i o n a n dt h ed i s c r e t i z a t i o ng r i dc o d eo fn se q u a t i o nt os o l v et h ec o m p l e t en u m e r i c a l s o l u t i o no ft h ee q u a t i o n sa b o v e t h er e s e a r c hs h o w e dt h a t ，b e c a u s eo ft h es i n g u l a r i t y o ft h eb o u n d a r yo ft h er e c t a n g l em i c r o c h a n n e l s ，t h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no nt h e b o u n d a r yc h a n g e dl i t t l e ，a n dt h eb a c k f l o ww e r ev e r yo b v i o u s ；w h e nt h eh y d r a u l i c d i a m e t e rw a sf i x e d , a c c o m p a n i e dw i t ht h e d e p t h - t o w i d t h r a t i o m a g n i f i e d , t h e a v e r a g ef l o ws p e e da n ds t r e a m i n gp o t e n t i a lw o u l dg ou pw h i l et h er a t i oo fb u l k v i s c o s i t yt oa p p a r e n tv i s c o s i t ya n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tw o u l db ed r o p p e d ，a n dt h e y c o u l dr e a c ht h el i m i tw h e nt h ed e p t h - t o w i d t hr a t i ow a so n e ；i ne l e c t r o k i n e t i ce f f e c t ， t h eh y d r a u l i cd i a m e t e r , t h ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o l y t es o l u t i o n ，a n dt h ei m p r e s s e d i v a b s t r a c t p r e s s u r ew e r ei m p o r t a n tf a c t o r s ，t o g e t h e r 诚mw h i c ht h ee v e r a g ef l o ws p e e d ，t h er a t i o o fb u l kv i s c o s i t yt oa p p a r e n tv i s c o s i t y , t h es t r e a m i n gp o t e n t i a l ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d o t h e rf l u i dc h a r a e t e r i s t i cw e r es i m i l a rt ot h er e l a t i o n s h i po ft h ef a c t o r si n e l e c t r o k i n e t i ce f f e c ta n dt h ef l u i dc h a r a c t e r i s t i cd a t eo ft h e p a r a l l e lp l a t e m i c r o c h a n n e l s ；t h ef l u i df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti nr e c t a n g l em i c r o c h a r m e l sw a sg r e a t e r t h a nt h a to ft h ep a r a l l e l - p l a t em i c r o c h a n n e l s a l lo ft h e s er e s e a r c h e sp r o v i d e dt h e r e f e r e n c ef o ra c h i e v i n gt h eg o a lo fc o n t r o l l i n gt h ef l o ws p e e do ff l u i di nm i c r o f l u i d i c c h i p sa c c u r a t e l ya n dq u a n t i f i c a t i o n a l l y f i f t h l y , t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e dt h es p l i t f l o wt r a n s m i s s i o no ft h eyt y p e m i c r o c h a n n e la n dt h es a m p l et r a n s m i s s i o nm o d e lo ft h ec o m p l i c a t e dut y p e m i c r o c h a n n n e l i th a ss h o w e dt h a t , t h ee l e t r o k i n e t i ce f f e c tb l o c k e dt h es p l i t f l o w t r a n s m i s s i o no ft h ey t y p em i c r o c h a n n e l ，l e a dt ot h ed e d u c eo ft h er a t i oo fb u l k v i s c o s i t yt oa p p a r e n tv i s c o s i t ya n dt h ei n c r e a s eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；i nt h e s a m p l e t r a n s m i s s i o no ft h e c o m p l i c a t e dut y p em i c r o c h a n n n e l ，b a c k f l o w p h e n o m e n o nd e d u c e dt h ec o n v e c t i o na n dp r o l i f e r a t i o no ft h es o l u t i o ng r e a t l y , w h i c h c o u l dm a k et h ec o n c e n t r a t i o na s y m m e t r i c a la n dv a r i o u sd u r i n gt h ep r o c e s so f t r a n s m i s s i o nm o r es e r i o u s ，s ob a c k f l o wp h e n o m e n o ns h o u l db ea v o i d e da sm u c ha s p o s s i b l e k e yw o r d s ：p r e s s u r e - d r i v e nf l o w ；e l e c t r o k i n e t i ce f f e c t ；z e t ap o t e n t i a l ；s t r e a m i n g p o t e n t i a l ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t v 霰一 目录 目录 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 2 微流控芯片概况 1 2 1 国外概况 1 2 2 国内概况 1 3 压力驱动流特性研究现状。 1 3 1 基础理论。 1 3 2 数值模拟 1 4 影响微流动的理论因素 1 4 1 尺度效应 1 4 2 表面力10 1 4 3 边晃滑移1 1 1 4 4 流体粘度1 1 1 5 微流动研究中存在的问题1 1 1 6 本文的研究内容1 2 第2 章微流动中的动电模型及数学模型1 4 2 1 微流动中的动电现象1 4 2 2 数学模型l4 2 2 1 双电层理论15 2 2 2 压力驱动流场1 9 2 2 3 感应电场2 0 2 2 4 边界条件2 2 2 3 数值模拟方法2 2 2 4 假设和近似2 5 2 5 本章小结2 5 第3 章二维微流道内压力驱动流的数值模拟研究2 6 3 1 多物理耦合场模型2 6 3 2 亲水材料微流道内的压力驱动流的数值模拟3 4 v l i 目录 3 2 1 动电效应对速度的影响3 5 3 2 2 流动电势4 0 3 2 3 摩擦系数4 3 3 3 疏水材料微流道内的压力驱动流的数值模拟4 5 3 2 1 动电效应和滑移边界对速度的影响4 6 3 2 2 疏水表面微流道的流动电势4 9 3 2 3 滑移边界对摩擦系数的影响5 1 3 4y 型微流道分流传输5 3 3 5 本章小结5 5 第4 章矩形微流道内动电效应对压力驱动流的影响5 6 4 1 矩形微流道的压力驱动流数学模型5 6 4 2 数值求解与讨论6 3 4 2 1 矩形微流道边角效应，6 3 4 2 2 矩形微流道中的流速6 5 4 2 3 矩形微流道中的流动电势6 7 4 2 4 矩形微流道中的摩擦系数7 0 4 3 复杂u 型矩形微流道中的样品传输。7 2 4 4 本章小结7 4 第5 章结论与展望7 6 5 1 结论7 6 5 2 展望7 8 致谢7 9 参考文献。8 0 攻读学位期间的研究成果8 6 v i l l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 本论文研究来源于国家自然科学基金资助重点项目“纳米器件中的表面界 面行为与控制”( 5 0 7 0 3 0 0 0 7 ) 。 微机电系统( m e m s ) 是由微机械器件与微电子器件统一组成的装型1 1 。它 主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分， 融合多种微细加工技术，应用现代信息技术的最新成果，在此基础上发展 起来的高科技前沿学科。微机电系统的产业十分巨大，可以与近2 0 年来的 微电子和计算机产业相媲美。工业观察家预测，未来5 年微机电系统器件 的销售额年平均增加率约为1 8 ，因此未来机械电子工程、精密机械及仪 器、半导体物理等学科的机遇和挑战并存。微流动系统是微机电系统的一个 重要分支，近几年取得了长足的发展。 微流动系统是由微流量驱动与控制器件、微型控制电路以及其他辅助器件 组成的【2 1 ，可以进行微量流体的流量、速度和方向的控制以及进行物质成分分析。 目前微流动系统应用最广泛的就是微流控芯片，或称之为微全分析系统。微流 控芯片是以生物化学和分析化学为基础，以微细加工和微电子技术为依托，将 微型阀、微型泵、微型传感器和微型混合器等器件集成到一个几平方厘米的芯 片上，把整个实验室的功能全部搬到这块芯片上，包括采样、稀释、加试剂、 反应、分离、检测等，用以取代传统实验室。 2 1 世纪的十大技术趋势包括：自然语言处理、数据采矿、面向a s p e c t 程序 设计、数字权管理、生物测定技术、大脑机器接口、机器人设计、微光子技术、 柔性晶体管和微流体技术( m i c r o f l u i d i e s ) 。其中，微流体技术是指在微米级结 构中操纵纳升乃至皮升体积流体的技术与科学【3 】，现今在生物工程上已经取得成 功应用，在其它领域的发展前景和市场潜力也是十分广阔。1 0 多年以来，研究 者们一直致力于研究微流控芯片。微流控芯片的发展不仅使得珍贵试剂的消耗 量成千上万倍的减少，而且使分析速度大大的加快，节约了大量的资源，在生 物医学、分析化学、药物研制中应用前景广泛。例如应用微流控芯片自动进行 基因型群和药物开发试验，并实时诊断测试，这一切完全归功于微流控芯片的 第1 章绪论 大规模生产。除此以外，微流体技术在计算机芯片的冷却、材料、通讯、医学、 化工、环保、安全检查、农林、药物研制等方面也有重要应用。前景如此广阔 诱人，以至于许多国家和学者纷纷投入微流体技术的研究行列中。 微流控芯片应用的特点之一是将所需分析的液体从微流道的某个位置移动 到另一个位置 4 1 ，而压力驱动是最简单最常用的方法，即通过外加压力驱动微流 道内流体的流动。微流控器件及各种功能器件内部流体的定量和精确控制，是 评价微流控芯片好坏的关键指标。 由于微细加工难度大，要求精度高，以及在一些关键的技术上还有亟待解 决的困难，微流控芯片投资大等原因，当前的微流控芯片研究尚处在理论研究 为主，实验分析为辅的阶段。计算机数值模拟计算是当前微流控芯片的研究趋 势之一，也是当前微流控芯片理论研究的重要技术之一1 5 1 。利用模拟结果可以让 现有微流控系统的控制机理得到充分的解释，以及修正其中的不足；使研发者 在制造之前就对所设计的微流控芯片性能有所了解，比较、分析和论证每个设 计环节，防止出现意外错误，缩短开发周期，节省经费，提高成功率。因此， 采用以压力为驱动方式的微流控功能器件，开展微流体输运特性研究，揭示微 流体的流动机理，提出微流控功能器件参数以及结构的优化设计方法，是目前 微流控系统需要解决的问题。该研究对压力驱动微流控芯片的基础理论研究、 设计开发以及应用具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 微流控芯片概况 1 2 1 国外概况 上世纪9 0 年代初，微流控芯片的概念是由m a n z 等【6 】首次提出，其目标是 在几平方厘米的芯片上实现微全分析系统( g t a s ) 。当时为了在芯片上实现功能 的微型化，研究者们采用微电子领域趋于成熟的微细加工技术，利用单晶硅微 细加工形成结构复杂，多层芯片的微全分析系统。随后，m a n z 与加拿大a d b e r t a 大学的h a r r i s o n 进行了微流控芯片首次实验方面的合作，成功展示了g t a s 的强 大潜力【7 1 。实验合作之后的第二年，h a r r i s o n 等【8 】在面积为几十平方厘米且厚度 不超过5 毫米的平板上成功制作了微流控芯片，并在平板芯片上实现了毛细管 电泳和流动注射分析。此后研究者把# t a s 的重心定位于平板芯片上的微流控系 统。m a t l l e r 研究组【9 】利用三年的时间，先后在芯片上实现高速d n a 测序【1 0 ，1 l 】 2 第1 章绪论 和p c r 扩增【1 2 】。b u m s 等 b l 实现了芯片对纳升级d n a 样品的自动化检测功能， 这是最具代表性的d n a 芯片系统。2 0 世纪末惠普和c a p l i e rt e c h n o l o g i e s 公司联 合推出首台商业化的微流控芯片1 1 4 1 。 m i t c h e l l 等i l5 】成功研制了可以实时并行处理多个合成反应，并不需要任何预 处理过程的微芯片合成全分析系统。q u a k e 掣1 6 l 7 】发表在s c i e n c e 上的论文介绍 了在一块芯片上集成上千个微阀和几百个微混合器的设计方法。n g u y e n 等i l8 】的 微流控芯片基础与反应专著中详细介绍了微流控芯片的发展现状和相关的 技术方法。a d a m s 等【1 9 】应用c o m s 成像阵列技术制作了微流控芯片和光学检测 为一体的集成化系统。w e i g l 掣2 0 】综述了各种微流控操控方法，如p c r 、细胞操 控、流体注入等。h i s a m o t o 掣2 1j 利用聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 制作一个化学功 能齐全的微流控芯片实验室，该芯片具有混合、反应、化学修饰等功能，基本 上形成一个芯片上的实验室。s t o n e 等瞄】介绍了多相流在微流控芯片中的输运特 性，如传输、混合、扩散以及化学反应等。此时微流控芯片的发展已经到了一 。 个全新的阶段。 e r i c k s o n t 2 3 j 对微流控芯片实验室不仅进行了数值模拟计算，而且进行了详细 的实验分析，在理论和实验的基础上揭示了微流体的传输特性，为后续的微流 露 控芯片实验室的设计以及应用提供了重要的依据。s q 血s 【2 4 】对纳尺度下的微流 控芯片进行了研究，为微流控芯片进一步缩小尺度的研究提供了坚实的理论基 础。x u 2 5 j 系统介绍了p c r 微流控芯片的设计、制作、流体控制原理、芯片集成 和检测等。w e i b e l 【2 6 】介绍了微流控芯片在生物化学方面的研究及应用。 m o h a m e d 2 。7 】主编的m s 手册系统介绍了当前m e m s 的发展状况与趋势， 以及微流控芯片在设计、制作、应用和模拟等方面的技术内容和研究现状。c r o s s 等【2 8 】介绍了微流控芯片在神经学研究方面的应用情况。y a i r i 等四1 对大规模并行 化微型泵的流量特性进行了研究，指出其应用场合。i v e r s o n 等【3 0 】介绍了当前各 种微阀的机理及应用状况，指明了微流控芯片的发展方向。w l o d l ( o 谢c 等【3 l 】在 微流控芯片上进行单个肿瘤细胞的凋亡分析实验，用于筛选抗肿瘤药物。微流 控芯片使得仪器小型化、集成化、自动化和便携化成为可能。 综上所述，微流控芯片自9 0 年代初提出概念开始，之后全世界对微流控的 研究和应用进入蓬勃发展阶段。微流控技术大致涉及微流动基础理论、微芯片 及其功能器件的优化设计、微细加工技术、物理和化学的表面处理、集成化、 微流控芯片在生物、化学、医学等领域的应用等，上述各种技术相互交叉，形 3 第1 章绪论 成一个以微流控技术为核心的背景构架，如图1 1 所示。 o圆口 图1 1 微流控技术研究的背景构架 1 2 2 国内概况 大体上，国内研究微流控技术自2 1 世纪初开始，比国外晚了将近十年，但 我国借助国际上微流控芯片的研究成果，也取得了一系列进展。 2 0 0 1 年5 月在北京香山召开了以“微型全分析系统 为议题的1 6 5 次香山 科学会议。随后，国家基金委启动了“微流控生化分析系统的基础研究 的重 要基金项目。2 0 0 2 年7 月在北京召开了首届微流控系统学术会议，至今已经连 续多次召开与微流控系统有关的学术会议，国内研究微流控系统的水平呈上升 趋势。2 0 0 7 年1 0 月在沈阳召开了首届“沈阳微流控学术论坛”，随后，2 0 0 8 年 在南京召开了第二届“国际微流控学研讨会”，数十位研究微流控的世界顶尖专 家到会并做大会报告，2 0 0 7 年在中国科学院力学研究所召开了“第一届中法微 流控学术研讨会 ，来自国外的1 0 个科研院所以及1 3 个国内知名单位的5 0 多 名代表参加研讨会，2 0 0 9 年在法国巴黎举行第二届“中法微流控会议 ，2 0 1 0 年4 月在安徽黄山召开了“全国微流控技术及应用学术研讨会 ，会议讨论了关 于微流控系统在食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事及航天科学等领 域的应用。 2 0 0 3 年方肇伦院士主编了国内首部以微流控芯片为内容的专业著作微流 4 第1 章绪论 控分析芯片【3 2 】；2 0 0 5 年又出版了微流控分析芯片的制作及应用【3 3 1 ，介绍 了该领域国内外的发展状况和最新成果。2 0 0 5 年陈忠斌博士主编出版了以微流 控芯片为核心的教材生物芯片技术 3 4 1 。2 0 0 8 年中科院的林炳成教授主 编出版了图解微流控芯片实验室【3 5 】一书，全面概述芯片实验室各项单元技 术及其集成技术。2 0 0 9 年陈文元等编写出版了集成微流控聚合物p c r 芯片 1 3 6 1 ，详尽阐述了单片微型结构的高效廉价的集成微流控聚合物p c r 芯片的设计、 制造、控制和试验技术。 中科院上研所的王彬等1 3 7 】研究了基于s u 8 负胶的塑料微流控器件制作方 法，并提供了一种快速而廉价的制作工艺。中科院的林金明等1 3 8 】成功制作了不 同规格的玻璃芯片，以及在线合成p m m a 、p d m s 等高聚合物芯片。大连理工 大学的罗怡和刘军山等【3 9 ，删主要从事微流控芯片制作和集成方面的研究，研究 了塑料芯片和玻璃芯片的制作工艺。浙江大学自主开发了国内首台拥有自主产 权的m i c r o p i v 产品，该产品具有相当好的空间分辨率，可以测试流道内的流速 分布，正在积极推向市场，以期打破国外的技术垄断，推进国内微流控技术的 发展 4 1 , 4 2 。 在对微流控基础理论和制作芯片技术进行研究的同时，国内学者正在积极 探索微流控芯片的应用。张卫英等f 4 3 】应用微流控芯片准确而快速的检测出乙肝 病毒基因型。丛辉等i 删应用微流控芯片紫外吸收检测法成功实现了尿蛋白的区 带分离和定量分析。金亚等1 4 5 ，删应用微流控芯片检测了蛋白混合物、中药提取 物和兴奋剂药物。k o n g 等1 4 7 1 研究了集成化的微流控芯片在细胞快速检测中的应 用。 1 3 压力驱动流特性研究现状 微流控芯片本身具有一系列的优点，在很多领域有着广泛的应用前景，例 如生物医学当中的细胞分析、基因分析、蛋白质和氨基酸分析以及电路中的微 冷却等。因此，各国研究机构和学者非常重视微尺度下流体输运机理的研究。 流体在宏观尺度下可以忽略诸多性质，如层流效应、表面力、热传导、毛 细现象、扩散效应等，但这些性质在微尺度下的流体流动不可忽略。由于尺度 的减小，表面积和体积呈二次方和三次方的减小，且表面积与体积比增大，因 此，宏观尺度下重要的惯性力可以忽略，但表面力的作用不断增强，在微尺度 5 第1 章绪论 下表面力起到主要作用。 对于任何一种固体材料，甚至放在真空中的金属，其表面都会出