文献综述(或调研报告)
1、引言(选题依据及价值)
微流控技术的核心内容包括以下几个方面:
(1)微通道结构的设计与制造 当通道的特征尺寸在微米甚至纳米量级时,通道表面与其内部空间的体积之比很大,通道的结构、形状和壁面性质都将对其中的流体流动状态产生极大的影响。如何设计出结构合理、尺寸精确、壁面性质可控的微通道,是控制微流体的前提。
(2)微纳尺度流体的驱动与控制 微纳尺度下的流体与宏观流体相比,其流动状态和传输特性有很大不同,表现出明显的尺寸效应[2-3]。随着通道特征尺寸的缩小,流体的体积减小,重力往往可以忽略不计;但此时流体的比表面积增加,宏观下通常可以忽略的表面张力占据主导地位,通道中液-固、液-液以及液-气界面的形态、尺寸和位置成为影响流体流动状态的主要因素之一。而另一方面,微纳流体流动的伯克利数较大,流体中分子、原子或其他微观粒子的随机扩散过程将不可忽略。这些特点都使得微纳流体的驱动和控制较为困难。
(3)微流控器件及系统的集成与封装 微流控器件是目前微机电系统(MEMS)领域中主要的分支之一。随着制造和集成技术的不断提高,微流控器件也日益向小型化、多功能化方向发展,其中往往集成有多种微电子或微机械器件,形成具有完整功能的片上系统(system on a chip, SOC)。
液滴微流控芯片的原理是通过对流体微通道结构的独特设计以及对流体流速的控制,利用不相溶液流间的剪切力、黏力和表面张力的相互作用,使分散相流体在微通道局部产生速度梯度,从而被拆分生成微液滴,产生的微液滴均匀地分布在互不相溶的连续相中,形成单分散系统。微流控目前得到广泛关注和应用,它主要具有:样品需求少、混合速度快、装置操作简单、重复性好、易于精确操控、微球单分散性高等优点;在食品、化妆品、材料、化学分离等方面有很多的应用。根据合成乳液方式的不同,主要可分为:毛细管玻璃微流控装置、基于pdms的微流控装置和相分离的微流控装置。
实验中主要使用的是毛细管玻璃微流控装置进行一系列的微流控实验,虽然微流控技术本身产生的乳液单分散性很高,但是如果不能在线的观测到乳液生成的过程、乳液的大小将会给后续实验带来很多麻烦,例如挑球。所以我们希望可以开发出一套微流控控制系统,实时在线地观测、分析乳液的生成,并自动控制泵流速来控制乳液的大小,降低人力成本。
2、发展现状(可行性分析)
随着微流控技术在化学合成、食品工业、生物材料学等方面的应用,人们对微流控技术的研究也越来越深入,对微流控技术的原理有了深入的了解。此外,利用各种方法对产生的乳液进行监测也有相关的工作,例如Krisna C. Bhargava利用发光二极管对生成乳液的尺寸、频率进行检测。目前图像处理技术能够为工业生产、实验研究工作提供很大的帮助,例如项学智等人利用计算机视觉技术控制炼油厂油料自动装卸,太原理工大学机器人实验室成功开发出利用图像信息进行分类工作的阻陶瓷基片分类机等产品。所以我们相信将图像处理技术与微流控技术相结合,我们可以完成乳液的自动生成与检测装置。
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