微流控多尺度现象研究

论文摘要

论文针对微流控系统中的DNA动力学、电渗流、DNA空间压缩和微流道内传热等多尺度现象进行了数值模拟研究和分析。提出了一种解决宏观尺度有限元法和介观尺度布朗动力学耦合数值模拟跨尺度问题的分区域插值算法,设计了一种能够实现最大程度拉伸DNA的新型微流道结构;提出了一种研究非均质电渗流特性的多尺度有限元方法,数值模拟结果显示非均质电渗流速度分布不再是均匀的栓塞状流型;研究了DNA多层次跨尺度空间压缩问题,探讨了DNA空间压缩第一层结构即核小体向第二层结构即纤维体的过渡问题;分析了微流道内的流动和传热特性,探讨了不同密度和不同温度梯度下的多尺度热行为。本文的研究结果可以指导微流控芯片的跨尺度设计和DNA组装等生物制造;论文的多尺度数值模拟技术和程序具有普遍应用意义,为多尺度机械设计理论打下了基础。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 DNA流动拉伸国内外研究现状
• 1.2.2 电渗流国内外研究现状
• 1.2.3 DNA空间压缩国内外研究现状
• 1.2.4 微尺度传热国内外研究现状
• 1.3 存在问题
• 1.4 研究内容
• 第二章 微流道中DNA流动拉伸多尺度现象研究
• 2.1 DNA构象基础
• 2.1.1 高分子链的构象
• 2.1.2 高分子链的柔顺性
• 2.1.3 模型
• 2.2 受力分析
• 2.2.1 布朗随机力
• 2.2.2 粘滞力
• 2.2.3 有效弹簧力
• 2.2.4 排除体积力
• 2.2.5 管壁对小球的作用力
• 2.2.6 外加力场
• 2.3 多尺度耦合算法
• 2.3.1 布朗动力学方法
• 2.3.2 有限元方法
• 2.3.3 尺度耦合
• 2.4 结果及讨论
• 2.4.1 电场驱动下，DNA流经双曲线型微收缩管道时的拉伸情况
• 2.4.2 电场驱动下，DNA流经直角圆弧过渡微收缩管道时的拉伸情况
• 2.4.3 电场驱动下，DNA流经圆柱形障碍物时的拉伸情况
• 2.4.4 电场驱动下, DNA流经障碍物与双曲线型微收缩管道组合结构时的拉伸情况
• 2.4.5 电场驱动下, DNA流经障碍物与直角圆弧过渡微收缩管道组合结构时的拉伸情况
• 2.4.6 压力场驱动下, DNA在矩形流道内的迁移情况
• 2.5 本章小结
• 第三章 电渗流多尺度现象研究
• 3.1 电动现象
• 3.2 微流控芯片中的双电层
• 3.2.1 双电层模型
• 3.2.2 双电层的数学模型
• 3.3 微流控中的电渗流
• 3.3.1 电渗流的形成机理
• 3.3.2 电渗流控制方程
• 3.4 有限元数值计算
• 3.4.1 有限元概述
• 3.4.2 积分表达式
• 3.4.3 区域剖分
• 3.4.4 确定单元基函数，单元合成及总体合成
• 3.5 矩形流道内的电渗流
• 3.5.1 zeta电势均匀分布情况下的电渗流
• 3.5.2 zeta电势分段变化情况下的电渗流
• 3.5.3 zeta电势线性变化情况下的电渗流
• 3.6 梯形流道内的电渗流
• 3.6.1 zeta电势均匀分布情况下的电渗流
• 3.6.2 流道上下基底zeta电势不等值时电渗流
• 3.6.3 截面形状对电渗流的影响
• b/W_a对电渗流的影响'>3.6.4 上下底比值W_b/W_a对电渗流的影响
• 3.7 多尺度电渗流
• 3.7.1 概述
• 3.7.2 多尺度有限元方法
• 3.7.3 矩形流道内非均质电渗流
• 3.8 本章小结
• 第四章 DNA空间压缩多尺度现象研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 核酸
• 4.1.2 染色体
• 4.2 DNA第一层空间压缩：DNA缠绕组蛋白形成核小体结构
• 4.2.1 系统模型及控制方程
• 4.2.2 结果及讨论
• 4.3 DNA第二层空间压缩：多个核小体缠绕形成纤维体结构
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 蒙特卡罗方法的具体实施
• 4.3.3 结果及讨论
• 4.4 DNA空间压缩的层次过渡
• 4.4.1 短链DNA与两个组蛋白相互作用
• 4.4.2 长链DNA与两个组蛋白相互作用
• 4.4.3 同向和反向核小体缠绕方式
• 4.4.4 三个核小体的形成及相互作用
• 4.5 本章小结
• 第五章 微流道内传热多尺度现象研究
• 5.1 系统描述
• 5.2 耗散粒子动力学
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 系统模型
• 5.2.3 数值算法研究
• 5.3 结果及讨论
• 5.3.1 微尺度流动与传热时变过程
• 5.3.2 不同密度下的微尺度传热现象
• 5.3.3 不同温度梯度的微尺度传热现象
• 5.4 本章小结
• 第六章 微纳流控系统设计软件
• 6.1 软件的功能和特点
• 6.1.1 软件的功能
• 6.1.2 软件的特点
• 6.2 软件总体设计布局
• 6.3 实例说明
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT