【摘 要】
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微流控技术因其高效的传质传热效率、高度集成化以及低样品消耗的优势在近些年取得了迅猛的发展,在细胞生物学、生命科学、纳米材料合成及生化分析检测等多个领域均有广泛的应用和极佳的应用前景。基于微流控技术的生物化学检测及纳米材料合成其本质为生化反应,而微流体的温度控制则是这些反应顺利进行的关键因素,因此微流体的温度控制对微流控技术在生化反应领域中的应用十分重要。本文概述了微流体温度控制及传热特性的国内外研
【基金项目】
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河北省重点研发计划“面向动物源性食品掺假鉴别的智能装备开发”（编号 19271707D）； 天津市特支青年拔尖人才(第三批)； 国家自然科学基金青年项目“微纳微粒介电泳与流体对流传质过程的耦合机理研究”（编号 51505123）； 国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金“微纳粒子的
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微流控技术因其高效的传质传热效率、高度集成化以及低样品消耗的优势在近些年取得了迅猛的发展,在细胞生物学、生命科学、纳米材料合成及生化分析检测等多个领域均有广泛的应用和极佳的应用前景。基于微流控技术的生物化学检测及纳米材料合成其本质为生化反应,而微流体的温度控制则是这些反应顺利进行的关键因素,因此微流体的温度控制对微流控技术在生化反应领域中的应用十分重要。本文概述了微流体温度控制及传热特性的国内外研究现状,采用连续流动式的温度控制方式,通过空间换时间的方法,实现了高通量的设计。以经典控制理论为基础,设计了基于系统辨识的微流体开环温度控制系统,实现了通过调节输入电压进而控制微流体实时温度的目的。设计并制作了能够高效混合的心形微流控芯片,结合Cs2CO3与Pb I2的量子点合成实验,验证了此开环温控系统的有效性和可行性。为改善上述开环温控系统的响应较慢及抗干扰能力较差的问题,设计了经过仿真优化后的闭环温控系统。首先设计组装了应用于微流体闭环温度控制及压力泵送的控制柜,利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行了模拟温控仿真分析,研究了不同目标温度时温度传感器与微流体处的温差变化情况,并通过线性拟合的方法进行了归纳总结得到两者的温度关系变化规律,对所设计的自整定PID温控系统进行了修正,实现了更加准确的温度控制。研究了不同加工工艺下的高通量的微流控芯片制备,将所设计的闭环温控系统应用于研究不同温度对Cs2CO3与Pb Br2的量子点反应的影响。针对分段多周期加热的应用情境,首先是通过仿真分析和实验验证相结合的方法确定了最优的温区加热间距,解决了相邻的高低温区之间的温度干涉问题,对芯片的尺寸进行了初步的优化。然后是针对现有的分段多周期加热芯片体积较大和集成度不高的问题,分别设计了一种双层往复式加热芯片和一种平面集成式加热芯片。均以聚合酶链式反应为例,分析了这两种芯片在在3段5周期加热时的三维共轭传热情况,并研究了不同流速对流道截面处温度分布的影响,确定了所允许的上限流速。
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