问题驱动物理化学论文提纲

论文题目：基于无纺纤维材料的微流控芯片研究

摘要：微流控技术经过二十多年的发展已经在生命科学、医学检测、分析化学、环境科学、食品科学等研究领域得到了较为广泛的应用,并正在逐步实现规模化产业应用。微流控技术的发展过程中,从早期的基于硅片、玻璃的微流控芯片到目前广泛应用的基于聚合物甚至纸材料的微流控芯片及相应制备技术相继出现,正在逐步适应和满足生命科学、分析化学等科研领域的利用微量流体进行检测、合成等应用的需要。从长远发展角度看,微流控技术必将在医学检测、环境检测等领域实现产业化应用,这就对微流控芯片的材料与制备成本控制、制备工艺的简洁与可靠、芯片基材物理化学性质对于不同应用的适应性等方面提出了更高的要求。微流控技术的发展依赖于微流控芯片基底材料和芯片加工技术的不断创新和进步,芯片材料成本的降低、制备技术的完善、批量化制备工艺的简化,这些都是不可或缺的发展基础。基于现阶段低成本微流控芯片材料和微加工技术的相关研究基础,结合未来产业化应用对芯片成本、性能、适用性的需要,本文提出了将无纺纤维材料作为微流控芯片的基底材料,探索并建立了基于无纺纤维材料的微流控芯片设计、制备方法体系,开展了以下几方面工作:1、文献调研、方案比较与分析。在充分调研和了解了现有主流微流控芯片的基底材料和微加工方法基础上,总结分析了各类不同基底材料微流控芯片及制备方法的特点及优劣。针对微流控芯片在生物医学检测等领域应用所面临的加工方法与成本等问题,从芯片材料成本、流体驱动方式、芯片制备方法、操作易用性等角度出发,提出了以无纺纤维材料作为基底材料的低成本、自驱动微流控芯片作为研究对象,并构建其芯片设计、制备、表征及应用体系;2、无纺纤维芯片的基底材料研究。研究探讨了无纺布作为微流控芯片基底材料所需的各项物理、化学性能要求,探索了多种无纺纤维材料的关键性能,包括:拉伸强度、最大拉伸量、热缩率、纤维密度、吸水性能等,结合芯片内流体自发流动、机械强度等性能指标,研究确定了聚丙烯纤维和木浆-涤纶混合复合纤维两种材料,作为微流控芯片的基底材料;3、芯片内流体渗流规律的探索。结合毛细管内流体流动理论探讨了流体在无纺纤维材料内的微观运动规律,建立了无纺纤维内渗流流动的描述性方程。针对无纺纤维孔隙结构内流体渗流过程的复杂性,提出并建立了利用蒙特卡洛极限学习机法（MCELM）对纤维内部的流体输运过程进行快速预测的方法。为后续微流控芯片内的流体控制研究提供了基础;4、芯片的制备与流体被动控制方法。根据选型和应用需求,通过理论探索和实验研究,实现了基于无纺纤维材料的微流控芯片设计与制备。首先利用蜡打印技术构建了无纺布微流控芯片的流体通道结构,探究了无纺布基底中实现疏水壁垒的规律,通过对制备过程中流体通道与孔隙结构变化规律的详细表征与控制,实现了无纺布纤维材料内部微量流体的可控自驱动。之后,利用基于聚丙烯纤维的微流控芯片进行了流体混合及人工尿液中蛋白质与葡萄糖定量检测实验研究,展现了基于无纺布材料的微流控芯片在生物医学和即时检测领域内的应用潜力;5、基于微阀的芯片内流体主动控制方法。为了充分提升基于无纺纤维材料的微流控芯片在流体控制上的灵活性,本研究使用木浆-涤纶复合纤维基底材料探讨了在多孔介质内对流体进行主动控制的方法,阐明了蜡基阀门在多孔纤维材料基底内实现可控开闭的作用机理,通过具有可编程控制蜡阀门阵列的微流控芯片实现了微流道内流体的主动控制。面向不同领域规模化应用对微流控芯片自驱动、低成本、流体操控性能等方面的迫切需求,本研究提出将无纺纤维材料作为微流控芯片的基底材料,建立了一套较为完整的基于无纺纤维材料的芯片设计、制备、流体控制和检测方法体系。具有材料成本低廉、制备工艺过程高效快捷、流体自主驱动、通过微阀实现流体流动主动控制等特点,同时还具有批量化制备的潜力,能够满足生命科学和医学检测等不同应用场景下对微流控芯片的需求。本研究提出并实现的基于无纺纤维材料的微流控芯片设计、制备、流体控制与检测方法体系,能够在生物医学检测领域为现场快速定性或半定量检测提供优势技术平台,也为未来微流控芯片在相关领域的大规模应用提供了有益参考。

关键词：微流控;无纺纤维材料;毛细流动;蒙特卡洛极限学习机法（MCELM）;多孔介质

学科专业：控制科学与工程

摘要

abstract

符号与缩略词说明

第一章 绪论

1.1 微流控技术简介

1.2 微流控芯片的基体材料

1.2.1 无机材料

1.2.2 聚合物材料

1.2.3 水凝胶材料

1.2.4 纸基材料

1.3 微流控芯片的制备方法

1.3.1 光刻制备方法

1.3.2 模塑成型

1.3.3 其他微流控芯片制备方法

1.4 芯片键合方法

1.5 本文研究问题的提出

1.6 本文的研究方法

第二章 无纺纤维材料与孔隙内微流体流动研究与建模

2.1 无纺纤维材料的定义与纤维结构

2.2 无纺纤维材料的制备

2.3 无纺纤维材料的选型与测试

2.4 纤维孔隙内微观流体的流动研究

2.4.1 无纺材料孔隙结构内渗流流动物理机理

2.4.2 无纺布中的渗流建模与计算

2.4.3 基于COMSOL的无纺布渗透速度模拟分析

2.4.3.1 参数与边界条件设定

2.4.3.2 仿真结果

2.5 基于MCELM的无纺布渗透速度软测量建模与分析

2.5.1 MCELM算法

2.5.1.1 MC数据扩展方法

2.5.1.2 ELM神经网络

2.5.1.3 MCELM建模过程

2.5.2 渗透速度软测量统计检验与模型分析

2.5.2.1 蒙特卡洛扩展数据统计检验

2.5.2.2 不同建模方法模型精度比较

2.6 本章小结

第三章 基于无纺布材料的微流控芯片设计与制备方法

3.1 基于无纺布材料的微流控芯片设计

3.2 本章研究所使用的仪器设备与药品

3.3 基于蜡打印与蜡渗透方法的无纺布材料芯片制作

3.4 基于无纺布材料的微流控芯片性能测试

3.5 基于无纺布材料的浓度检测微流控芯片

3.6 基于无纺布材料的蛋白质与葡萄糖检测微流控芯片

3.6.1 背景

3.6.2 芯片内蛋白质基本检测的基本原理

3.6.3 芯片内葡萄糖检测的基本原理

3.6.4 实验材料

3.6.5 芯片制备过程

3.6.6 实验过程与结果

3.7 本章小结

第四章 基于无纺布材料的可编程控制微流控芯片

4.1 无纺布基底内流体驱动原理与背景

4.2 基于无纺布材料的可编程控制微流控芯片研究与制作

4.3 基于无纺布材料的可编程控制微流控系统的硬件设计

4.4 基于无纺布材料的可编程控制微流控系统的软件设计

4.5 基于无纺布材料的可编程控制微流控系统的整体性能测试

4.6 本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

导师与作者简介

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