基于恒压微流泵系统的微液滴分选

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液滴微流控是微流控技术的一个重要的分支,对液滴的操控如液滴融合、裂分、混合、分选、捕获等技术具有非常重要的意义,液滴分选就是从大量液滴中分离出目标液滴,可以用来提纯、浓缩目标液滴。微液滴生成和操控的前提条件是稳定的流体驱动,流体的驱动方式多种多样,常用的驱动方式是注射泵,但它有许多固有的缺点,比如分配过程易受温度变化、胶内气泡、螺杆转速的影响,而且纹波比较大、单个注射器流量范围小。气压驱动泵比注射泵的纹波小,响应速度快,但是目前市场上的气压驱动泵价格昂贵,控制范围不大。欲实现兼具这些优点的气压泵,本论文研制了一台适用于微流控领域的双气缸的恒压微流泵。两个气缸的气压控制完全独立,适用于液滴微流控研究。与现有的一些气压泵相比,恒压微流泵的气压控制范围广、精度较高、气压稳定、响应速度快。稳定时的气压波动范围为±1 mbar,气压控制范围为0.0~10.0 bar。可以用两款上位机软件和它进行WiFi通信,用户可以选择使用PC机或安卓平板电脑,上位机软件实时记录实验数据,可以提示各种运行参数,具有友好的交互界面。使用CAD软件设计了两种液滴分选芯片,分别利用了压电陶瓷的逆压电效应和非均匀电场对液滴的介电泳力,利用恒压微流泵搭建了液滴分选系统。首先利用搭建的液滴分选系统生成液滴,研究了气压为0~240 mbar时液滴直径、液滴生成速度与油相水相气压之比的关系。发现当油相气压值固定时,油相和水相气压比值越大,液滴直径越小,液滴生成速度也越慢;而当油相与水相气压比值相同时,油相气压越大,液滴直径越小,液滴生成的速度也越快。利用搭建的液滴分选系统,用设计的两种微流控芯片做了液滴分选。基于压电陶瓷的分选芯片在气压为0~200mbar时给PZT加单个脉冲,改变总持续时间T和高电平时间Th能够实现单个液滴分选,目前可以实现11 Hz的液滴流中对单个液滴的分选。然后当油相气压为10000 mbar,水相为1000 mbar时生成305 Hz的液滴,对PZT施加连续的方波,发现可以分选,且分选率会随着高电平持续时间Th增加而增加。基于介电泳的分选芯片在气压为0~450 mbar时给金电极施加合适的电压幅值和频率,可以把液滴全部拉到目标流道中。且达到全分选时电压幅值越高频率就要降低。当电压过高或者频率过大时可能使液滴碎裂,故需要选择好参数。恒压微流泵系统适合作为微流控的驱动。基于恒压微流泵系统的液滴分选是比较基础的研究,为以后高速微液滴分选打下基础。
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