基于植物气孔蒸腾边缘扩散效应与负压液体驱动原理的仿生微流控泵

本项目提出一种基于植物气孔蒸腾边缘扩散效应和负压液体驱动原理的新型仿生微流控泵。针对基于Fick定律构建的一般水分扩散模型无法描述微孔边缘扩散效应，以及纳孔中水分扩散量与产生负压间的关系尚未建立等问题，建立微孔蒸腾边缘效应模型和纳孔扩散负压效应模型，揭示蒸腾与负压共同作用下的液体驱动机理。提出仿生微泵的设计方法：采用裂缝形微孔阵列模拟植物气孔,利用微孔边缘扩散效应获得较高流量，并通过调整参与蒸腾微孔数量的方式对流量进行控制；采用具有纳孔的多孔介质模拟植物叶肉细胞膜，利用水分通过介质纳孔向外扩散时产生的负压进行液体驱动。研究"裂缝形"微孔阵列制作方法、流量调整部件设计方法以及微泵各部件组装集成方法。本微泵无需连接外部能源和辅助设备即可进行工作，流量可控，便于同其他微流控系统连接，对于发展微型化、集成化、便携化的微流控检测仪器具有重要意义。目前，国内外未见本项目提出的理论模型和设计方法的报道。

在本项目资助下，提出一种基于植物气孔蒸腾边缘扩散效应和负压液体驱动原理的新型仿生微流控泵。基于Cooke公式和Brown-Escombe的分子扩散方程，建立了描述水蒸气通过裂缝形微孔中心和边缘区域向外扩散的数值模型；基于该模型，采用COMSOL软件中的PDE模块对裂缝形微孔蒸腾进行了数值模拟；采用微加工方法制造了不同形状、尺寸、间距的微孔阵列，运用追踪微球运动轨迹的方式研究了微孔中的水蒸腾方式，揭示了裂缝形微孔中水分扩散的边缘效应，即微孔边缘区域的水分扩散速率远高于微孔中心区域。采用凝胶模拟植物叶肉细胞，利用水分通过凝胶上的纳孔向外扩散时产生的负压进行液体驱动；制造了“人造树”，利用人造树上的微通道模拟植物茎部的导管，凝胶片被固定在人造树上，用来模拟树叶，产生负压；采用水势仪对凝胶产生的负压进行了测量，结果表明，最高可获得35KPa的负压，可将水垂直提升3.5米高度。基于理论和数值模型，对“裂缝形”蒸腾微孔阵列制作方法、微泵流量控制部件的设计和制作方法、微泵与储液池连接方法、微泵各部件的组装集成、微泵与微流控芯片的集成操作平台设计、液流“流”与“停”集成控制方法等进行了研究；研制了3种仿生微流控泵，实现了130nl/min—3.74μl/min的液体驱动流量。.基于本项目的研究工作，在国际/国内学术期刊上发表论文11篇。其中，被SCI收录10篇，EI收录7篇。申请国家发明专利2项。资助1名博士研究生和7名硕士研究生（已毕业4人）开展了相关研究工作。其中，2人获得研究生国家奖学金。