微流控分析系统中基本物理参数测量技术的研究

论文题目: 微流控分析系统中基本物理参数测量技术的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 检测技术与自动化装置

作者: 戴敬

导师: 方肇伦

关键词: 微流控芯片,形貌测量,尺寸测量,温度测量,温度控制,微粒示踪测速技术,流速测量

文献来源: 东北大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在微流控分析系统微米尺度结构中，流体的传质、传热过程与宏观条件下有很大区别。深入研究和掌握微状态下相关物理参数的状况变化是微流控分析系统基础理论研究所必须的，但至今在相关文献中报道甚少。对相关参数测量所使用的技术平台或较为复杂，设备昂贵，或不能完全满足相关研究的需要。本论文对微流控系统中的三个重要的物理参数——微结构的形貌和尺寸、微反应体系的温度、微流体流速的测量技术进行了系统研究，提出了一套投资较少，适于在一般分析实验室中推广又易于实现的测量方法。 工作中首次提出了基于PDMS复制和CCD成像的芯片微结构非破坏性的测量方法。用PDMS固化得到与被复制结构互补的高保真PDMS复制模型，并成功研制了专用的切割工具将PDMS复制模型制成观测切片。该法成功用于各种材料的微芯片结构表征。测量形貌与尺寸和其它标准工具测量结果一致，且对芯片无破坏。以此方法进行微结构特征尺寸测量，相对标准偏差小于4％。其结果同万能工具显微镜(宽度测量)及探针轮廓仪(深度测量)相比，绝对偏差小于0.9 μm。本方法在测定复杂微结构时失真度显著小于机械探针式轮廓仪。 对于微流控系统中微流体温度的测量，本研究中在相关文献基础上建立了非接触的、具有微米级空间分辨率和分秒级时间分辨率的、基于荧光指示剂罗丹明B荧光强度变化的测温体系。系统首次采用了热辐射小、对微芯片温度影响小的普通家用节能荧光灯作为激发光源，采用较低放大倍数的显微镜而获得了3.7 mm×5.5 mm的较大测量范围。为克服测量范围扩大所带来的光照不均匀以及光源的波动、CCD摄像机随机噪声、背景不均匀等因素对图像数据产生的噪声，对图像进行了滤波、逐点移动平滑处理、多幅图像平均以及逐点校正等处理。实验通过测量玻璃微通道内外的温度差、温度梯度芯片的温度梯

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摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 微流控芯片结构尺寸、形貌测量技术

1.2.1 扫描电子显微镜(SEM)测量技术

1.2.2 机械探针式轮廓仪测量技术

1.2.3 光学轮廓仪测量技术

1.2.4 原子力显微镜测量技术

1.2.5 基于 CCD的形貌、尺寸测量技术

1.3 微流控系统中微流体温度测量技术

1.3.1 系统外部测温技术

1.3.2 基于液体物理参数变化的测温技术

1.3.2.1 通过电流变化测温

1.3.2.2 通过流速变化测温

1.3.3 吸收光谱法测温技术

1.3.4 热色液晶测温技术

1.3.5 荧光强度测温技术

1.3.6 分子信标测温技术

1.3.7 基于激光的界面测温技术

1.3.8 反向散射干涉测温法

1.4 微流控系统中微流体速度测量技术

1.4.1 集成化流速传感器测速技术

1.4.2 标记物测速技术

1.4.3 微粒成像测速技术

1.4.4 共焦荧光检测测速技术

1.5 本文工作目的及总体设计思路

第二章 基于PDMS复制及CCD成像的微流控芯片形貌特征及尺寸测量技术的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器和装置

2.2.1.1 仪器型号及来源

2.2.1.2 实验装置

2.2.2 PDMS复制模型及样品切片的准备

2.2.3 测量过程

2.3 结果与讨论

2.3.1 PDMS性质及微结构复制过程的优化

2.3.1.1 PDMS的高保真复制特性

2.3.1.2 PDMS的染色处理

2.3.2 图像数据处理及尺寸计算

2.3.2.1 图像的边缘检测

2.3.2.2 系统放大比例系数的确定

2.3.3 形貌测量结果的比较

2.3.3.1 与SEM测量结果的比较

2.3.3.2 与机械探针式轮廓仪测量结果的比较

2.3.4 尺寸测量结果的比较

2.3.5 几种常用材料微流控芯片的结构表征

2.4 结论

第三章 基于荧光指示剂的微流体温度测量技术及微流控系统温度控制技术的研究

3.1 引言

3.2 基于荧光指示剂的微流体温度测量原理

3.3 实验部分

3.3.1 试剂和材料

3.3.2 仪器型号和来源

3.3.3 微芯片的加工

3.3.4 温度控制装置

3.3.5 ITO玻璃加热器的制作

3.3.6 测量系统构成

3.3.7 实验操作

3.3.8 温度的标定

3.4 结果与讨论

3.4.1 荧光灯作为测温激发光源的若干考虑

3.4.2 作为加热部件材料的ITO玻璃特性及其电阻值计算

3.4.2.1 ITO薄膜导电玻璃特性

3.4.2.2 ITO薄膜阻值计算

3.4.3 温度控制装置性能的考察

3.4.3.1 Pt100铂电阻温度传感器性能

3.4.3.2 温度控制曲线

3.4.3.3 温度标定时指示剂的温度控制

3.4.4 温度标定的规一化方法

3.4.4.1 两点规一化

3.4.4.2 单点规一化

3.4.5 图像噪声及光照非均匀性的数学处理

3.4.6 玻璃微芯片通道内外温度差的测量

3.4.7 温度梯度芯片的梯度测量

3.4.8 温度梯度加热器的性能考察

3.4.9 随时间变化的测温性能的考察

3.5 结论

第四章 微流控系统中粒子示踪测速技术的研究

4.1 引言

4.2 μ-PIV测速原理

4.3 实验部分

4.3.1 实验试剂及实验用芯片

4.3.2 仪器型号及来源

4.3.3 实验装置

4.3.4 实验操作及图像采集

4.3.5 图像分析及速度计算

4.4 结果与讨论

4.4.1 示踪微粒的选择

4.4.2 示踪微粒分布密度的影响

4.4.3 μ-PIV测速方法的应用

4.4.3.1 对液位静压差产生的液流流速的测量

4.4.3.2 微流控芯片倾斜度对通道中微流体流动状态的影响

4.4.3.3 液面表面张力对液流流速的影响

4.5 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表主要论文目录

发布时间: 2006-10-25

参考文献

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• [2].顺序注射—微流控分离、反应系统联用技术研究[D]. 徐章润.东北大学2005
• [3].机器油液微流控检测技术研究[D]. 张艳彬.南京航空航天大学2007
• [4].基于微流控芯片的微纳光纤传感器研究[D]. 李志勇.浙江大学2015
• [5].基于流体分配的微加工方法及其应用研究[D]. 邢济尧.哈尔滨工业大学2017
• [6].基于微液滴纸喷雾离子化的“质谱传感器”的构建与应用[D]. 刘武.清华大学2015

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