论文总字数：23792字

摘 要

微流控（Microfluidics）技术利用了流体在微纳通道内的行为与其在宏观尺寸通道中差异的特点，来实现流体试剂或微纳粒子在微纳尺度下的检测分析、控制、合成等功能，其具有成本低、尺寸小及耗样量少等优势，现已被广泛地用于生化分析、临床医学、生物学等领域的检测分析中。

本课题针对微流控芯片中的混合过程，旨在开发一种新型的用于混合的微流控芯片，具有操作便捷、驱动简单、成本较低且方便携带等特点。课题所设计的芯片对已有的二维平面结构进行优化调整，通过采用突破结构、不对称结构、多流道型结构的复合，以及多层芯片堆叠，以实现多种混合方法的集成，并在三维层面上增加突破，达到了更好的混合效果。芯片采用PVC材料与PE材料通过键合工艺进行封装加工而成，并在各芯片之间通过双面胶粘合，能承受较大的流量，大幅提高了混合效率。实验采用荧光染料进行表征，现象直观明显，易于后期数据处理。实验结果表明：通过多层芯片的堆叠，各类混合流道的集成，并适当地增加三维层面上的突破结构，能达到较好的混合效果，并增加混合效率。

关键词：微混合器；芯片设计；荧光染料；三维结构

Abstract

This subject is aimed at the hybrid process in microfluidic chips. It aims to develop a new type of microfluidic chip for hybridization, which has the characteristics of convenient operation, simple driving, low cost and convenient carrying. The chip designed by the subject optimizes and adjusts the existing two-dimensional planar structure, and adopts a combination of a breakthrough structure, an asymmetric structure, a multi-channel structure, and a multi-layer chip stack to realize integration of various hybrid methods, and Increase the breakthrough on the 3D level to achieve a better mixing effect. The chip is made of PVC material and PE material by the bonding process, and is bonded by double-sided tape between the chips, which can withstand a large flow rate and greatly improve the mixing efficiency. The experiment is characterized by fluorescent dyes, which is intuitive and obvious, and is easy for later data processing. The experimental results show that through the stacking of multi-layer chips, the integration of various mixed flow channels, and the appropriate increase of the breakthrough structure on the three-dimensional level, can achieve better mixing effect and increase mixing efficiency.

KEY WORDS: Micromixer；Chip design；Fluorescent dyes；3D structure

目 录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与国内外发展现状 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 微混合器概述 1

1.1.3 国内外发展现状 2

1.1.4 流道加工成型 4

1.1.5 芯片加工处理 4

1.2 课题研究内容 5

第二章 芯片设计 7

2.1 混合芯片1 7

2.1.1 螺旋形结构 7

2.1.2 加长型结构 7

2.1.3 增加突破结构 7

2.1.4 分岔型结构 8

2.1.5 方案验证 8

2.2 3D突破层 10

2.3 混合芯片2 11

2.3.1 无突破结构芯片 11

2.3.2 仅设置平面突破结构 12

2.3.3 方形3D突破结构A 13

2.3.4 方形3D突破结构B 13

2.3.5 圆形3D突破结构 14

2.4 导流引出层 14

2.5 芯片结构示意图 15

2.5.1 无突破结构芯片 15

2.5.2 仅平面突破结构 15

2.5.3 方形3D突破结构A 16

2.5.4 方形3D突破结构B 16

2.5.6 圆形3D突破结构 16

2.6 夹具 17

第三章 芯片、夹具的加工制作 18

3.1 芯片加工 18

3.2 夹具加工 21

3.3 芯片装配 22

第四章 实验方法 23

4.1 方案选择 23

4.2 实验准备 23

4.2.1 荧光溶液的配制 23

4.2.2 实验器材安装 24

4.3 实验结果 25

4.3.1 实验现象 25

4.3.2 混合结果 29

4.4 结果处理 31

4.4.1 无突破结构——Ⅰ 33

4.4.2 仅平面突破结构——Ⅱ 33

4.4.3 方形3D突破结构A——Ⅲ 33

4.4.4 方形3D突破结构B——Ⅳ 34

4.4.5 圆形突破结构——Ⅴ 34

4.4.6 混合效率计算 34

4.5 血液应用实验 35

4.5.1 实验准备 35

4.5.2实验现象 35

第五章 结论 37

参考文献 38

致 谢 40

绪论

课题研究背景与国内外发展现状

1.1.1 研究背景

与宏观尺寸下的流体相比，微纳尺度下的流体具有其独特的流动现象与物理性质。通过近几十年的深入研究，人们发现，流体在通道内有两种流动状态：较为平缓的层流（如图1.1-1 a）与存在剧烈相对流动现象的湍流（如图1.1-1 b）。流体的流动状态主要受到粘性力与惯性力的影响，根据其大小，可定义雷诺数Re：

（1-1）

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