CD-like微流控芯片的欧拉力主动驱动机制与最佳拓扑构型研究

基本信息
批准号:51405465
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:邓永波
学科分类:
依托单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
批准年份:2014
结题年份:2017
起止时间:2015-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:刘桂根,李胤,范建华,周松,毕晓猛,柳常清
关键词:
非连续微流动CDlike微流控芯片欧拉力主动驱动机制水平集法拓扑优化
结项摘要

High efficiency, parallel processing, accurate metering and rapid mixing are key for the commercialization of lab on a chip. Polymer-based CD-like parallel chip effectively overcomes the problems on system-complexity and high-cost caused by the large-scale integration of micropumps and microvalves. However, centrifugal actuation makes the multi-channel-parallel-control microflow be noncontinuous; instability of the surface property of polymer gives rise to the instability of noncontinuous microflows; and current design and optimization of microstructures for noncontinuous microflow cannot fully synthesize surface property, microscale effect and manufacturing process. Hence, loss of long-term stability, e.g. failure of siphon valve, is still presented on the CD-like microfluidic chips. Therefore, this research proposes the actuation mechanism based on the Euler force produced during the acceleration of CD-like chip, to overcome the dependence on the surface property and solve the problem on the long-term stability of the chip; and the topology optimization method for the noncontinuous microflow is proposed, to provide theoretical basis for the optimal topology configuration design of microfluidic structures, make the design of microfluidic structures be more reasonable and efficient, and reduce the cost on experiments and applications of CD-like chips. This is theoretically and practically significant for the chip-based biochemical and high-throughput biological automatic analysis system.

高速、并行、精确定量及快速混合是微流控芯片实验室走向商业化的关键。基于聚合物的离心力驱动CD-like并行芯片结构有效克服了大量泵阀集成所造成的系统复杂和成本问题。但离心力为动力源对液体直接驱动的方法使多通道并行控制的微流动处于非连续状态,聚合物表面性质不稳定会造成非连续微流动的不稳定性,且当前的非连续微流动控制结构的优化设计方法不能充分考虑表面性质、微尺度效应和微加工工艺,因而虹吸阀失效等芯片长期稳定性低的问题仍然存在。因此,本研究提出以芯片加速旋转中微流体所受欧拉力为驱动力的流动控制机制,该机制将有效克服芯片功能对表面性质的依赖性,解决芯片功能的长期稳定性问题;提出非连续微流动的拓扑优化方法,为获得微流控结构的最佳拓扑构型提供理论依据,使微流控结构的设计更具理性和效率,从而降低实验和应用成本,这对芯片级生化及生物高通量自动化分析系统的实现有重要的理论和实际意义。

项目摘要

针对表面性质不稳定性导致的芯片虹吸阀失效等长期稳定性低的问题,创新性的给出了欧拉力主动驱动机制,通过芯片在加速转动的过程中微流体所受欧拉力的主动驱动作用,克服了芯片功能对表面性质的依赖性,保证了芯片的长期稳定性;针对微流控结构设计因不能充分考虑表面性质、微尺度效应和微加工工艺约束,而难以保证芯片功能可靠性的问题,创新性的将拓扑优化方法拓展到非连续微流动领域,给出了芯片上微流控结构网络的最佳拓扑构型,提高了设计效率和芯片性能,降低了设计过程的经验依赖程度和成本消耗。. 在该项目的支持下,将所研究的微纳结构逆设计方法拓展到了光子调控结构领域:考虑激励波极化等因素,采用基于矢量有限元的拓扑优化方法,创新性的给出了三维光子调控结构的逆设计方法;解决了复变量的共轭算子全导数不存在导致的伴随导数不自洽问题,创新性的给出了基于复变量分裂的连续伴随分析;并通过纳米结构的逆设计,研究了局域表面等离子体增强、表面等离子极化波等纳米结构的逆设计,实现了共振谱中谐振峰的有效调控。. 在论文发表与专利申请方面:在所承担的青年基金项目支持下,项目负责人已于德国Springer出版社出版专著1部,发表国外SCI杂志论文9篇,其中第一作者SCI论文5篇;另有项目资助的在审第一作者国外SCI杂志论文4篇;项目执行期间,获授权发明专利3项,提交受理发明专利7项。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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