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微纳流控中电渗流的数值模拟研究

微纳流控中电渗流的数值模拟研究

作者：张银鹤吉林大学

学位级别：硕士

本文研究课题来源于国家高技术研究计划(863计划)项目“生物微纳流控系统设计软件开发”(No. 2006AA04Z305)。随着微纳流控技术的发展,电动效应在微纳尺度器件和系统中的应用越加广泛。但是对电动效应机理的根本理解还不深入,这限制了... 详细信息

本文研究课题来源于国家高技术研究计划(863计划)项目“生物微纳流控系统设计软件开发”(No. 2006AA04Z305)。随着微纳流控技术的发展,电动效应在微纳尺度器件和系统中的应用越加广泛。但是对电动效应机理的根本理解还不深入,这限制了基于电动效应的微纳流控系统的设计和开发。本文针对微纳流控芯片中的电渗流现象进行了分子动力学模拟研究和分析。构建了平行板纳米流道电渗流的分子模拟模型;搭建了基于分子动力学的模拟方法;通过分子动力学模拟研究了平行板纳米流道中单价离子溶液电渗流的分布和流动特性;研究分析不同离子浓度条件下、不同宽度纳米流道以及不同离子种类对于纳米尺度电渗流的密度分布和流动特性的影响,分析讨论了以上几种因素影响下电渗流的离子和溶剂水的分布和速度流型。本文的研究结果对基于电渗流的质量输运和流体控制微纳元器件的设计和制造具有一定指导和参考意义。

关键词：微纳流控电渗流分子动力学数值模拟

石英毛细管微纳流控界面的表征及浓缩效率研究

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石英毛细管微纳流控界面的表征及浓缩效率研究

作者：何艳琴东北大学

学位级别：硕士

随着微流控技术的发展,纳米尺度下分子运动行为的研究成为该领域的一个新的发展方向,并逐渐形成一个新的研究领域—微纳流控学,或者纳流控学。目前新的微纳流控体系的建立和应用仍是研究的热点,特别是微纳界面上的浓度极化效应及其在微... 详细信息

随着微流控技术的发展,纳米尺度下分子运动行为的研究成为该领域的一个新的发展方向,并逐渐形成一个新的研究领域—微纳流控学,或者纳流控学。目前新的微纳流控体系的建立和应用仍是研究的热点,特别是微纳界面上的浓度极化效应及其在微量样品的在线预浓集中的应用潜力更是备受关注。本论文第一章以芯片毛细管电泳中样品的电动浓集为主要背景,介绍了相关的电动理论和离子传输现象、纳流控相关理论、纳米与微米通道界面上的浓度极化产生的条件及可能的应用进行了综述。第二章,基于业已建立的原位刻蚀技术制备了毛细管微纳界面,对刻蚀形成的膜进行了进一步的扫描电子显微镜（SEM）表征。结果显示离子通道可能呈锥形、估测其尺度在-100纳米级。考察了膜上离子流传输性质,得到类似纳流控二极管整流曲线的电流曲线。利用荧光显微成像的方法对该界面上的浓度极化效应进行了研究,考察了离子强度对荷电组分浓度极化的影响。结果表明随着离子强度的增大,纳米通道的离子选择性减小。第三章,在不同方向和大小的跨膜电场条件下,对带负电荷的荧光探针荧光素的浓缩效果进行了初步研究,考察了浓缩重现性以及浓集时间和电压对浓缩效率的影响。多次实验表明,此实验方法对低浓度荷电组分浓缩效率明显,场强方向由膜外向膜内时通过增加浓集时间至20min,对荧光素的浓缩倍数可达109。研究表明,原位刻蚀技术建立的微纳界面对荷电组分有较高的浓缩效率,预测此毛细管导电膜在低浓度荷电组分的在线预浓集中将有很好的应用前景。

关键词：微纳流控微纳界面离子强度浓度极化浓缩效率

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石英毛细管微纳流控界面的改进及表征

石英毛细管微纳流控界面的改进及表征

作者：王琳东北大学

学位级别：硕士

分析测试是科学研究中最基本的实验活动之一。以微流控芯片为核心的微全分析系统推动了分析测试技术的进一步发展。伴随着微加工技术的发展,纳米通道的加工成为可能,并因此形成了一个新的研究领域—微纳流控学。微纳流控系统的建立、表... 详细信息

分析测试是科学研究中最基本的实验活动之一。以微流控芯片为核心的微全分析系统推动了分析测试技术的进一步发展。伴随着微加工技术的发展,纳米通道的加工成为可能,并因此形成了一个新的研究领域—微纳流控学。微纳流控系统的建立、表征及其应用成为研究的热点。本论文第一章以芯片毛细管电泳中样品的电动富集为主要背景,综述了与纳流控学相关的理论、微纳界面浓度极化理论、整流效应、芯片相关制作方法及可能应用。第二章研究了电场对化学刻蚀的石英毛细管表面的形貌的影响,扫描电镜(SEM)表征表明,刻蚀过程中施加的电场不仅可作为刻蚀终点的一种指示方法,而且对刻蚀表面的形貌有一定影响。电场强度的提高有使刻蚀表面变粗糙的迹象。通过改变pH及离子强度对所制备的微纳流控界面的离子传输特性进行了系统表征。在优化的切向电场条件下用激光诱导荧光法对荧光素在300s内实现了104的浓缩倍数,重现性良好,峰高的RSD为0.54%。第三章提出了一种新型的通过在毛细管狭缝上涂覆Nafion高分子聚合物直接建立微纳流控界面的方法。用实验和模型计算方法对涂覆前狭缝的大小进行了估算,对Nafion的涂覆质量分数进行了优化。利用荧光显微成像的方法对该界面上的浓度极化效应进行了研究。考察了离子强度对荷电组分浓度极化效应的影响。初步展示了其对带负电荷的荧光素钠的浓缩效应。该研究为基于石英毛细管的微纳流控效应研究的深入及低浓度荷电组分以及生物大分子分析中的应用奠定了基础。

关键词：微纳流控 Nafion 石英毛细管狭缝

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纸微纳流控芯片

纸微纳流控芯片

电极表面电荷效应在微納流控电流信号检测中的影响作用

中国化学会第30届学术年会

作者：刘宏东南大学生物电子学国家重点实验室

纸微流控芯片是近年来兴起的以纸为基底的微流控分析平台。2012年我们创新地将折纸原理应用到三维纸微流控芯片的制作中,制成了用于多元检测的折纸微流控分析芯片（Origami Paper Analytical Devcie,简称oP AD）,并针对POCT的要求发展... 详细信息

纸微流控芯片是近年来兴起的以纸为基底的微流控分析平台。2012年我们创新地将折纸原理应用到三维纸微流控芯片的制作中,制成了用于多元检测的折纸微流控分析芯片（Origami Paper Analytical Devcie,简称oP AD）,并针对POCT的要求发展了一种新的电化学信号转换与放大方法,简化了电化学检测所需要的仪器设备。由于简单、廉价、易用的纸微流控芯片在发展中国家或者不发达地区的POCT方面具有很好的应用前景,我们的oP AD作为一个里程碑式的发明被美国国立健康研究院NIH的博物馆收藏。与传统芯片相比,纸微流控芯片具有以下不可替代的优点:（1）纸微利控芯片上的液体流动是通过纤维素纸的毛细作用驱动的,不需要传统微流控芯片所需的泵,因此简化了芯片设计,节约了成本,使得芯片的一次性使用成为可能;（2）纸微流控芯片的制作不需要传统微流控芯片所需要的昂贵的微加工技术（如光刻蚀）,仅需一台商品化的喷蜡打印机,制作成本非常低,芯片从设计到加工完成只需要不到1个小时;（3）相对于简单的分析试纸（如干化学试纸或者侧流层析试纸）,纸微流控需要的样品和试剂的量非常少,并且可在一块芯片上集成复杂的、例如样品前处理、多元分析等功能。

关键词：纸芯片微纳流控现场快速检测

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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电极表面电荷效应在微納流控电流信号检测中的影响作用

作者：马宏伟西北大学

学位级别：硕士

随着微纳流控的微型化,表面电荷效应的影响越来越显著。在微流控检测中,与通道表面电荷效应相比,电极表面电荷效应的影响同样不可忽略。本文对溶液在外电场力驱动下穿越微通道的电流响应特性进行了系统的研究,总结了不同条件下,电极表... 详细信息

随着微纳流控的微型化,表面电荷效应的影响越来越显著。在微流控检测中,与通道表面电荷效应相比,电极表面电荷效应的影响同样不可忽略。本文对溶液在外电场力驱动下穿越微通道的电流响应特性进行了系统的研究,总结了不同条件下,电极表面电荷效应对电流响应特性的影响规律,并分析了其影响的微观机制,主要内容和成果如下：(1)电流响应有一初始峰值,然后随着时间缓慢衰减,最终趋于稳定,这是电极表面的双电层和过电位共同作用的结果。(2)对实验中出现的六种特征性电流响应信号做了统计分析,结果表明：所有正向的电流响应出现的概率都大于其相对应的负向的电流响应出现的概率;由于热运动的作用,随着通道尺寸的增大,电流响应的特殊信号出现的概率增大。(3)当辅助电极有效面积大于工作电极时,电流响应随着外加电压的增加发生了由负到正的反转,这是电极表面电荷积累产生的屏蔽场与外加电场之间的竞争效应产生的。(4)电流响应反转的临界电压随着电极有效面积比例和溶液pH的增加而增加;而随着溶液离子浓度的增加而减小,与德拜长度随离子浓度的变化关系相类似。(5)通过对三电极体系和两电极体系的测量结果的比较,发现采用三电极测量方法能够显著降低电流响应反转的临界电压和恢复时间。这些结论在微纳流控芯片以及生物传感器的微型化、精确化,以及生物单分子检测与操纵方面有潜在的应用前景。

关键词：表面电荷效应电极有效面积电流响应微纳流控双电层

基于微纳流控技术的二氧化碳-癸烷体系的相行为及传质研究

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基于微纳流控技术的二氧化碳-癸烷体系的相行为及传质研究

作者：冯嘉华东理工大学

学位级别：硕士

微纳流控技术具有实时可视化和微纳尺度等优点,对于探究二氧化碳驱替过程中的相行为和传质特性以实现采收率的提高有着重要的意义。因此,本课题基于微纳流控技术探究了二氧化碳-癸烷体系的相行为及传质机制:首先,基于微纳流控技术测量了... 详细信息

微纳流控技术具有实时可视化和微纳尺度等优点,对于探究二氧化碳驱替过程中的相行为和传质特性以实现采收率的提高有着重要的意义。因此,本课题基于微纳流控技术探究了二氧化碳-癸烷体系的相行为及传质机制:首先,基于微纳流控技术测量了微/纳米尺度下二氧化碳-癸烷体系的最小混相压(MMP)并探究了混相机制。通过表征微纳米封闭通道中癸烷的荧光强度变化,测量和比较了 5 μm尺度和50 nm尺度下二氧化碳-癸烷体系的最小混相压。发现50 nm尺度与5μm尺度下的最小混相压均在293.15 K时为5.4 MPa和303.15 K时为6.4 MPa。并通过理论计算发现在50 nm尺度下最小混相压偏移仅为0.17%。而在5 nm尺度下最小混相压偏移达到了 2.5%,即发生纳米受限效应。其次,利用自制的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片测量了二氧化碳-癸烷体系的传质系数并探究了传质机制。实验发现,传质系数随气相流量和液相流量的增大而增大,同时随着环境温度的升高,传质系数也相应升高。在气相流量范围为0.6-1.2 mL/min和液相流量范围为0.1-0.4mL/min时,25℃、30℃和35℃下液侧体积传质系数kLa范围分别为 1.0-4.5 s-1、1.0-5.8 s-1 和 1.0-6.8 s-1。最后,基于微流控芯片模拟了地层中的二氧化碳驱过程并研究了驱替机理。通过分析实验照片中残余油的面积可以得到采收率。实验表明驱替压力越大,二氧化碳非混相驱的效果越好。在0.1-0.3bar驱替压力下非混相驱的采收效率范围为60%-82%,而对于56.9 bar驱替压力下的混相驱几乎可以实现100%的驱替效率。

关键词：微纳流控二氧化碳最小混相压传质系数驱油

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微流控技术在海洋分析监测中的应用研究

分析化学 2023年第10期51卷 1545-1556页

作者：齐骥相佳雯林栋付龙文李博伟陈令新中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境工程技术研究与发展中心自然资源部海洋观测技术重点实验室中国科学院大学

在认知海洋规律、发展海洋经济以及保护与修复海洋生态环境的过程中，海洋分析监测是必不可少的技术手段。现代海洋监测呈现原位、实时和立体化的特点，亟需小型、灵敏、快速和自动化的海洋分析监测装备。微流控芯片技术以其突出的微流... 详细信息

在认知海洋规律、发展海洋经济以及保护与修复海洋生态环境的过程中，海洋分析监测是必不可少的技术手段。现代海洋监测呈现原位、实时和立体化的特点，亟需小型、灵敏、快速和自动化的海洋分析监测装备。微流控芯片技术以其突出的微流控通道、低能耗和高通量等优势，结合先进化学分析方法，在海洋分析监测装备核心传感部件的构建方面展现出较强的发展潜力。本文从微流控芯片的材料、制备及其分析方法构建出发，以海洋环境分析和海洋原位在线监测两类应用为主，涉及的参数和对象包括酸碱度、溶解气体、营养盐、重金属、有机污染物和海洋微生物，评述了微流控技术在海洋分析监测中的应用研究进展，并对其未来发展进行了展望。

关键词：海洋环境分析海洋监测微纳流控传感器评述

激光诱发荧光漂白测速技术的发展与应用(特邀)

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光子学报 2022年第10期51卷 359-382页

作者：赵伟陈玉胡忠彦张琛王归仁王凯歌白晋涛西北大学光子学与光子技术研究所西部能源光子技术与功能材料省部共建国家重点实验室国家级光电技术与纳米功能材料国际联合研究中心陕西省光电子技术重点实验室西安710127 南卡罗来纳大学机械工程系与生物医学工程专业美国南卡罗来纳哥伦比亚29208

微纳尺度流动现象广泛存在于生命科学、界面科学、微纳芯片技术以及材料科学等领域,微纳流体测速技术是研究微纳尺度流动现象及其应用的基础。本文首先介绍了几种主要的微流体测速技术,包括显微粒子图像速度计、粒子追踪速度计、分子标... 详细信息

微纳尺度流动现象广泛存在于生命科学、界面科学、微纳芯片技术以及材料科学等领域,微纳流体测速技术是研究微纳尺度流动现象及其应用的基础。本文首先介绍了几种主要的微流体测速技术,包括显微粒子图像速度计、粒子追踪速度计、分子标记速度计、光学相干层析技术、磁共振成像测速技术等。然后,详细介绍一种新型的光学微纳流体速度测量技术——激光诱发荧光漂白测速技术,该技术同时具有非侵入性、远场测速、纳米级高时空分辨率等优点,适应目前微纳流控实际研究中对高时间分辨率和高空间分辨率的迫切需求;重点介绍了基于该技术所取得的一些研究成果,包括对微流体电动力湍流和非线性交流电渗流等非稳态、非线性流动等现象和规律的最新研究成果。最后,对该技术进一步的发展进行了展望。

关键词：微纳流控流体测速技术激光诱发荧光漂白测速计非侵入高时空分辨率

Janus球形微马达的自驱动机理研究：自扩散泳动与微气泡推进

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科学通报 2017年第2期62卷 167-185页

作者：郑旭崔海航李战华中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)北京100190 西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给... 详细信息

微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给出全面的描述.针对铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢溶液中发生的自驱动,通过实验和数值模拟分析了其两种自驱动形式(自扩散泳动和微气泡推进)的物理机制和运动特征.直径小于5mm的Janus微球发生自扩散泳动,通过无量纲均方位移随时间的变化揭示了微球平动经历由纯布朗运动、扩散泳动到类布朗运动的过程,给出了特征时间及不同阶段的主导物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主导的旋转特性并讨论壁面限制及剪切流的影响.直径20~50mm微球可观测到微气泡推进,微球位移揭示了随气泡尺寸增长,微球经过自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭推进3个阶段组成的周期运动.Rayleigh-Plesset(R-P)方程则揭示了依次由黏性力、表面张力及气泡周围流体压力控制下的气泡生长标度率.本文还从应用角度介绍了交变电场下,利用介电泳操控Janus微球的微穿梭输运(microshuttle)技术,并讨论了自扩散泳与自电泳差别及微气泡推进型微马达效率提高等问题.

关键词：微纳马达 Janus微球自扩散泳动微气泡推进微纳流控