微流控芯片中的流體流動(dòng)

內(nèi)容概要

　　《微流控芯片中的流體流動(dòng)》針對(duì)微流控芯片中的流體操控，從流體力學(xué)的角度講解了流體流動(dòng)的機(jī)理。其中，緒論闡述了微尺度流體力學(xué)研究的主要內(nèi)容和微流動(dòng)的主要特點(diǎn)。后續(xù)章節(jié)根據(jù)芯片中流動(dòng)介質(zhì)的不同分為簡(jiǎn)單介質(zhì)流動(dòng)和復(fù)雜介質(zhì)流動(dòng)，具體安排如下：簡(jiǎn)單介質(zhì)流動(dòng)按照驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的主要梯度量——壓力、電場(chǎng)、濃度和溫度分為壓力驅(qū)動(dòng)流（第2章）、電驅(qū)動(dòng)流（第3章）和傳質(zhì)與傳熱（第4章）；復(fù)雜介質(zhì)流動(dòng)分為微管道內(nèi)的液滴運(yùn)動(dòng)（第5章）、表/界面浸潤(rùn)（第6章）、粒子與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)（第7章）。為了使讀者了解微流動(dòng)的研究方法，增加了微尺度數(shù)值模擬（第8章）和微尺度流動(dòng)測(cè)量（第9章）。各章先介紹相關(guān)流體運(yùn)動(dòng)方程，然后講解基本物理概念和力學(xué)原理，同時(shí)介紹一些常用工程公式，最后給出幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，便于讀者理解公式的使用?！　　段⒘骺匦酒械牧黧w流動(dòng)》可供從事微流控芯片研究和應(yīng)用的科研人員、高校師生閱讀，也可供企業(yè)工程技術(shù)和設(shè)計(jì)人員參考，同時(shí)可作為相關(guān)專業(yè)研究生教材。

書籍目錄

序前言主要符號(hào)表第1章 緒論1.1 微流控芯片1.2 微流控芯片的流動(dòng)機(jī)理研究1.2.1 微流控學(xué)與微尺度流體力學(xué)1.2.2 微流控芯片中流動(dòng)研究的框架1.3 微尺度流動(dòng)的研究?jī)?nèi)容及特點(diǎn)1.3.1 微尺度流動(dòng)的主要研究?jī)?nèi)容1.3.2 微尺度流動(dòng)的主要特點(diǎn)1.4 微流控芯片中的局部納流控簡(jiǎn)介1.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第2章 微流控芯片壓差流動(dòng)2.1 連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)方程組2.1.1 連續(xù)性方程2.1.2 動(dòng)量方程2.1.3 能量方程2.1.4 牛頓流體與非牛頓流體2.1.5 連續(xù)性假設(shè)的適用性2.2 典型流動(dòng)2.2.1 二平板間的流動(dòng)2.2.2 無限長(zhǎng)直圓管中的黏性流動(dòng)2.2.3 斯托克斯流動(dòng)2.3 管道流動(dòng)參數(shù)計(jì)算2.3.1 管道能量損失計(jì)算公式2.3.2 管道流量公式2.3.3 管道截面尺寸對(duì)流量的影響2.3.4 復(fù)雜管網(wǎng)的流量計(jì)算2.4 邊界條件2.4.1 滑移邊界條件2.4.2 光滑表面滑移長(zhǎng)度的估算2.4.3 粗糙表面滑移長(zhǎng)度的估算2.5 應(yīng)用實(shí)例2.5.1 慣性力的作用2.5.2 氣動(dòng)閥門與PDMS材料模量的關(guān)系2.5.3 流體整流器2.5.4 多功能脈沖流動(dòng)微過濾器2.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 微流控芯片電動(dòng)流動(dòng)3.1 微流控系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合電動(dòng)流動(dòng)方程組3.1.1 雙電層，電滲流和泊松-玻爾茲曼方程3.1.2 微流控系統(tǒng)電動(dòng)流動(dòng)多物理場(chǎng)耦合方程組3.2 電滲流特性和影響因素3.2.1 電滲流的焦耳熱效應(yīng)3.2.2 壓強(qiáng)差流動(dòng)的電黏性效應(yīng)3.2.3 電場(chǎng)調(diào)控電滲流3.3 交變電滲流動(dòng)3.3.1 均勻等截面微通道交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電滲流3.3.2 交變電場(chǎng)調(diào)控雙電層和電解質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)3.3.3 對(duì)稱和非對(duì)稱電極組交變電滲流3.3.4 行波電場(chǎng)電滲流3.4 應(yīng)用實(shí)例3.4.1 電滲流泵3.4.2 電泳分離溶液的電動(dòng)進(jìn)樣3.4.3 電動(dòng)液體混合器3.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 微流控芯片的傳質(zhì)與傳熱4.1 傳輸過程4.1.1 分子傳輸現(xiàn)象4.1.2 非穩(wěn)態(tài)傳輸現(xiàn)象4.2 流動(dòng)傳質(zhì)規(guī)律4.2.1 對(duì)流-擴(kuò)散方程4.2.2 泰勒彌散4.2.3 有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算4.2.4 T形通道擴(kuò)散過程4.3 微混合器4.3.1 被動(dòng)混合4.3.2 主動(dòng)混合4.4 傳熱現(xiàn)象4.4.1 微尺度傳熱基本特征4.4.2 典型的微尺度熱物理效應(yīng)4.5 應(yīng)用實(shí)例4.5.1 濃度梯度的形成4.5.2 微流控免疫測(cè)定芯片的性能優(yōu)化4.5.3 微流控聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)4.5.4 基于相變?cè)淼奈㈤y4.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 微通道中的液滴運(yùn)動(dòng)5.1 微尺度多相流液滴動(dòng)力學(xué)的基本原理5.1.1 液滴動(dòng)力學(xué)中的無量綱參數(shù)5.1.2 潤(rùn)濕現(xiàn)象5.1.3 微通道中的液滴流動(dòng)行為5.2 微通道中的液滴操控5.2.1 液滴生成方式5.2.2 液滴輸運(yùn)方式5.2.3 具有粗糙表面通道內(nèi)的液滴運(yùn)動(dòng)5.2.4 液滴分選與定位5.2.5 液滴融合5.3 應(yīng)用實(shí)例5.3.1 液滴的混合增強(qiáng)5.3.2 微生物研究5.3.3 微反應(yīng)器5.3.4 液滴/氣泡邏輯5.4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 表面潤(rùn)濕現(xiàn)象6.1 基本概念6.1.1 潤(rùn)濕性6.1.2 真實(shí)表面6.1.3 分離壓力6.2 毛細(xì)效應(yīng)6.2.1 液滴的形狀6.2.2 彎月面6.2.3 毛細(xì)提升簡(jiǎn)介6.3 液滴在固體表面的運(yùn)動(dòng)6.3.1 液滴移動(dòng)的速度6.3.2 液滴的鋪展6.3.3 潤(rùn)濕性梯度驅(qū)動(dòng)的液滴運(yùn)動(dòng)6.4 數(shù)字微流控6.4.1 電潤(rùn)濕的基本概念6.4.2 Taylor-Melcher漏電介質(zhì)模型6.4.3 電潤(rùn)濕下的液滴運(yùn)動(dòng)6.4.4 交流電潤(rùn)濕6.4.5 納尺度電潤(rùn)濕6.5 應(yīng)用實(shí)例6.5.1 蛋白質(zhì)組學(xué)6.5.2 DNA處理6.5.3 基于電潤(rùn)濕技術(shù)的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)6.5.4 集成電路的冷卻6.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第7章 微流控芯片的粒子受力和運(yùn)動(dòng)7.1 粒子表面特性與運(yùn)動(dòng)的描述7.1.1 溶液中粒子的表面特性7.1.2 溶液中粒子運(yùn)動(dòng)的一般描述7.1.3 受限粒子的運(yùn)動(dòng)7.2 粒子電泳與介電電泳7.2.1 粒子電泳7.2.2 粒子介電電泳7.3 粒子的其他作用力7.3.1 磁場(chǎng)力和磁泳7.3.2 聲駐波力7.3.3 光輻射力7.4 納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)7.4.1 朗之萬方程7.4.2 粒子擴(kuò)散與熱力學(xué)力7.4.3 納米粒子布朗運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用7.5 細(xì)胞的操控7.5.1 細(xì)胞及細(xì)胞操控的特點(diǎn)7.5.2 細(xì)胞操控的一般方法7.5.3 細(xì)胞的特殊操控方法7.6 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 微流控芯片流動(dòng)的數(shù)值模擬方法8.1 基于連續(xù)性的微流動(dòng)數(shù)值模型8.1.1 微尺度電滲流數(shù)值模擬8.1.2 液滴/氣泡的數(shù)值模擬方法8.2 基于非連續(xù)性的微流動(dòng)計(jì)算模擬8.2.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬8.2.2 格子-玻爾茲曼算法8.2.3 耗散顆粒動(dòng)力學(xué)算法8.3 流體力學(xué)計(jì)算軟件和開放源代碼介紹8.4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第9章 微尺度流動(dòng)測(cè)量方法9.1 MicroPIV/PTV速度測(cè)量系統(tǒng)9.1.1 粒子圖像測(cè)速原理9.1.2 MicroPIV/PTV系統(tǒng)組成9.1.3 MicroPIV/PTV系統(tǒng)主要參數(shù)及特點(diǎn)9.2 NanoPIV/PTV速度測(cè)試技術(shù)9.2.1 全內(nèi)反射技術(shù)原理9.2.2 NanoPIV系統(tǒng)組成及主要技術(shù)參數(shù)9.3 激光掃描共聚焦系統(tǒng)9.3.1 掃描共聚焦顯微鏡的成像原理9.3.2 激光掃描共聚焦系統(tǒng)組成和主要參數(shù)9.4 壓力與流量測(cè)量9.4.1 壓力測(cè)量9.4.2 流量測(cè)量9.4.3 流量/壓力控制儀9.5 溫度和濃度測(cè)量9.5.1 溫度測(cè)量9.5.2 濃度測(cè)量9.6 微流動(dòng)測(cè)量實(shí)例9.6.1 應(yīng)用MicroPIV技術(shù)測(cè)量微液滴流場(chǎng)9.6.2 應(yīng)用共聚焦顯微鏡測(cè)量液滴內(nèi)部流場(chǎng)9.7 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)結(jié)束語專業(yè)詞匯索引

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：第一章緒論1.1微流控芯片流體是物質(zhì)的重要存在形式，流體的流動(dòng)是自然界最基本的現(xiàn)象之一通常把在微米尺度空間里流動(dòng)的流體稱為微流體，對(duì)以層流或低雷諾數(shù)為主要特征的微流體的操控相應(yīng)地簡(jiǎn)稱為微流控。微流控芯片是一種以在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，因此又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。在現(xiàn)階段，主流形式的微流控芯片多由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物等實(shí)驗(yàn)室的各種功能。微流控芯片的基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在微小可控平臺(tái)上靈活組合和規(guī)模集成［1，2］。20世紀(jì)90年代初，Manz等［3］采用芯片實(shí)現(xiàn)了此前一直在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學(xué)工具的潛力；90年代中期，美國(guó)國(guó)防部提出對(duì)士兵個(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多地被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺(tái)，并往往和“微全分析系統(tǒng)”概念混用。2000年，Whitesides小組［4］關(guān)于PDMS（聚二甲基硅氧烷，或稱硅橡膠）軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發(fā)表，2002年Quake小組［5］以微閥微泵控制為主要特征的題為“微流控芯片大規(guī)模集成”的文章在Science上發(fā)表，這些里程碑式的工作使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界看到了微流控芯片超越“微全分析系統(tǒng)”的概念而發(fā)展成為一種重大科學(xué)技術(shù)的潛在能力。

編輯推薦

《微流控芯片中的流體流動(dòng)》主要針對(duì)微流控芯片中“單元操縱”部分的流動(dòng)現(xiàn)象，沒有包括“芯片加工”和“檢測(cè)技術(shù)”中的相關(guān)內(nèi)容?？紤]到微流控芯片的流動(dòng)以液體為主，微尺度的氣體運(yùn)動(dòng)、傳熱學(xué)等內(nèi)容沒有涵括。每章在基本理論闡述之后，給出應(yīng)用實(shí)例，便于讀者參考?！段⒘骺匦酒械牧黧w流動(dòng)》可供從事微流控芯片研究和應(yīng)用的科研人員、高校師生閱讀，也可供企業(yè)工程技術(shù)和設(shè)計(jì)人員參考，同時(shí)可作為相關(guān)專業(yè)研究生教材。

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