关键词： 离心式微流体装置   六价铬   环境水样  

摘要： 铬 (Chromium) 所造成的环境污染与钢铁、皮革、颜料和橡胶等工业活动相当息息相关。一般而言，铬主要以带正电的三价铬物种 (Cr(III)) 和带负电的六价铬物种 (Cr(VI)) 两种形式存在。对蛋白质和脂肪代谢而言，三价铬是必需元素。相反地，六价铬则会导致去氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic Acid, DNA) 的损坏，使细胞有可能因此发生病变。基于六价铬具有相当强的毒性，因此环境水样中六价铬的快速测定对于评估其对环境和人类的影响一直相当高的重要性。有监于微流体技术的独特优点，如试剂和功率消耗量低、方便携带可供即时监测、制造成本低廉和多样化设计，在过去的几十年里，此一技术已成为相当引人注目的分析技术。在数种微流体技术中，离心装置近年来备受关注，相较于其他微流体系统中常用的操作方法而言，离心装置借由离心力驱动样品和试剂，因此不需要使用任何帮浦作为驱动力。本研究旨在开发一套离心微流体装置，其包含了一个固相萃取管柱和流体控制阀，并搭配简易的影像分析技术来定量六价铬。根据实验结果显示，在最适化的条件下 (调态操作转速：2000 rpm；样品pH值：pH3；氢氧化钠浓度：3 M；双氧水浓度：5 M；第一道冲提试剂量：20 uL；第二道冲提试剂量：20 uL；第三道冲提试剂量：10 uL)，本研究仅需15分钟即可完成分析6组分析物，且六价铬的侦测极限可达1.69 mg L─1。由此足见，本系统确实为一套具有潜力的六价铬分析技术。

关键词： 流感病毒   亚型区分   快速检测   微流体   多糖   反转录聚合酶链式反应  

摘要： 摘要隐藏中

摘要： Leaves falling in air and marine larvae settling in water are examples of unsteady descents due to complex interactions between gravitational and aerodynamic forces. Understanding these descent modes is relevant to many branches of engineering and science, ranging from estimating the behaviour of re-entry space vehicles to analyzing the biomechanics of seed dispersion. The motion of regularly-shaped objects falling freely in homogenous fluids is relatively well understood. However, less is known about how density stratification of the fluid medium affects the falling behaviour. Here, we experimentally investigate the descent of heavy discs in stably stratified fluids for Froude numbers of order 1 and Reynolds numbers of order 1000. We specifically consider fluttering descents, where the disc oscillates from side-to-side as it falls. In comparison to pure water and homogeneous saltwater fluid, we find that density stratification significantly enhances the radial dispersion of the disc, while simultaneously decreasing the vertical descent speed, fluttering amplitude, and inclination angle of the disc during descent. We explain the physical mechanisms underlying these observations in the context of a quasi-steady force and torque model. These findings could have significant impact on the understanding and design of uncontrolled vehicle descents and of geological and biological transport where density and temperature variations may occur.

关键词： 好氧颗粒污泥   网绳   卡门涡街   水力模拟   PIV  

摘要： 活性污泥法在演进过程里逐步地改善,并衍生了一系列新型污水处理技术,目前已经是污水的主要处理方式;生物膜法有较大的生物量,其单位容积生物量是活性污泥的5-20倍。好氧颗粒污泥同时拥有上述两种技术在好氧生物方面的处理优势,不仅如此,对于一些厌氧型的生物也能够发挥出不错的处理效果,因此,好氧颗粒污泥快速形成的研究具有很好的研究价值。反应器中加入柔性网板,可以给生物膜的生长提供良好的载体,当网板上生物膜生长成熟后,随着过水断面水力剪切力增大,网板发生抖动,部分生物膜会发生脱落现象,实现系统内的活性污泥的增值,为颗粒污泥的形成创造必要的条件。同时网板优化流场,营造流体动力学环境,在网后形成卡门涡街,为生物絮体凝聚创造良好的水力条件,又可对初始颗粒进行振荡筛分,加速颗粒污泥的形成。本文的主要研究内容是对反应器中流场的水力模拟,并用PIV技术进行验证,找出在反应中最适宜颗粒污泥快速形成的影响因素。(1)根据颗粒污泥产生的机制可知,生物反应器中存在的混合溶液的运动模式属于湍流模式,该模式可以有效提高分子间的混合,有效提升扩散速度。若在过流断面安装相应的网板,网后将会显示出各向同性的湍流,其不但能够对湍流构造与能量分布造成影响,同时还会改变湍流的传质方式。所以,通过在反应器之中安装一系列带有特性的网格,能够对湍流构造进行改善,有效增强反应器的性能,促进活性污泥的颗粒化。(2)根据卡门涡街和过网水流的原理,模拟出形成稳定卡门涡街的网板参数,调整其网孔的大小,让网后出现的漩涡和颗粒保持在相同的大小尺度上,设计出材料为有机玻璃的反应池。反应池参数为:横截面面积沿水流方向串联,依次为300cm、200cm、375cm,在反应区安装六层平行网板,每层网板之间的距离大约在250到330毫米之间,网丝的直径约在2到4毫米之间,在进行模拟之时,进水口的流量大小约在50L/h到150L/h之间,同时回流比保持着50%到150%之间。(3)通过水单相和气液两相的流场Fluent软件稳态模拟,以较为稳定的卡门涡街产生为标准,确定最佳水力参数即,网绳直径为4mm、网孔尺寸为1.0cm、网板间距为290mm,气水比为8:1时。(4)通过水单相和气液两相的PIV分析不难发现,当网丝尺寸为4毫米、板间距离为290毫米、进水口的流量大小为80L/h、气体液体比例为8:1、孔径大小为1.0cm之时,成功的采集到稳定的卡门涡街及流场的稳定状态,并且涡旋的形成速度在微气泡的作用下有所提高。与水力模拟的最佳水力控制条件相吻合。

关键词： 生物过程优化   计算流体力学   混合   传质   搅拌式反应器  

摘要： 搅拌式生物反应器广泛应用于微生物发酵过程并占主导地位,其结构设计和过程放大始终是工业发酵过程的重点研究内容之一。本文采用计算流体力学仿真和物理实验相结合的方法,以生物搅拌式反应器为研究对象,对其混合、传质和剪切等流场特性进行研究,并将这些流场特性与微生物发酵过程相关联,以预测搅拌式生物反应器内的发酵过程,为反应器的设计和放大奠定基础。文中首先建立了以平均年龄理论为基础的混合时间模拟方法。分别考察了非结构化网格的数量、速度场计算时入口流量、Matlab后处理条件等这些因素对模拟结果的影响,得出结论:1)对于非结构化网格数量,网格数量过少时会使得能量耗散率获得的功率减小,导致获得的混合时间偏差较大,能量耗散计算的功率与扭矩计算的功率的比值需达到80%以上,模拟得到的速度场和湍流强度不会受网格的影响,由此模拟的混合时间更准确;2)入口流量需小于桨叶循环流量两个数量级,才不会使原先流场发生较大改变,流场模拟更准确;3)进行Matlab后处理时,平均年龄分组数小于12500组,会导致混合时间的模拟准确性降低。在保证以上条件的基础上,得到的混合时间与实验值基本一致。当反应器的高径比大于1.5:1,雷诺数小于2.1×105时会导致模拟结果与实验值的差异变大,误差达12%。对比单层PBTD和PBTU,PBTD的模拟结果都在实验数据范围之内,而PBTU的模拟结果都要比实验值高,最大误差达到14%,轴流桨叶在搅拌轴和桨叶排出区域附近液体的平均停留时间都更低。另外,不少混合时间经验公式没有考虑体积的因素,经本文研究发现,模拟得到的Nθ准数不受反应器规模影响。反应器中的气液氧传递效率对发酵过程具有非常重要的影响。本文通过实验运用亚硫酸钠稳态法获得桨叶的传质经验公式,对单层和双层桨叶的传质速率、传质效率（单位功率消耗获得的气液传质系数的大小）进行分析。单层桨叶比较了径流桨（平叶涡轮桨、半圆管涡轮桨、抛物线涡轮桨）,轴流桨（三窄叶轴流桨、45°斜叶涡轮桨、三宽叶轴流下压桨、轴流叶涡轮桨）和四宽叶混流桨。对于单层桨叶,在相同的通气量和搅拌转速下,径流桨叶的传质速率最高,而轴流桨叶最低,比如:平叶涡轮桨的传质系数是三窄叶轴流桨的4-6倍。在传质效率方面,相同的能量消耗下,单层径流桨叶也比单层轴流桨叶的传质系数更高,单层径流桨叶的传质经验公式为kLa=0.02×（Pg/V）0.47（Ug）0.48,单层轴流桨的传质经验公式kLa=0.018×（Pg/V）0.44（ug）0.45。对于双层桨叶结构,在相同的转速和通气量条件下,RT+RT桨叶的传质速率比WHD+WHD结构要高。但是当功率输入相同时,在0.2到1.8 vvm条件下,WHD+WHD的传质效率更高,其经验公式为kLa=0.01×（P/V）0.59（ug）047,而 RT+RT 为kLa=0.026×（Pg/V）0.5（Ug）0.58。基于气液传质的研究,针对相间作用力模型、群平衡模型和气液传质模型等对气液两相流场模拟准确性的影响进行了详细研究,以期形成一套准确的模拟气液两相流的方法。首先利用实验数据对描述相间曳力的Brucato模型进行了修正,获得较好结果,模拟的总气含率与实验的差异为1%。在此基础上,考查了虚拟质量力、升力及壁面润滑力的影响,结果发现:三者均对罐内平均气含率的影响较小,这是由于虚拟质量力对轴向滑移速度的影响甚微,升力仅在桨叶和气体分布器附近有影响,而壁面润滑力仅在壁面附近对气体分布有作用。对于局部气液特性的模拟,加入群平衡模型后,在靠近罐体壁面和桨叶附近的区域,迎风格式模拟的结果与实验的平均误差为10%,而高阶差分格式的平均误差为15%。对于气含率的模拟,在气含率低（搅拌轴附近）的区域,迎风差分格式获得的模拟结果与实验的误差在10%以内,而在其他区域,迎风获得的结果比实验值高10%至60%。迎风格式三组算例（算例之间的差异在于其他相间作用力模型不同）之间的气含率分布基本一致（平均误差5%）,高阶差分三组算例模拟的气含率分布并无明显规律。对于局部气泡Sauter直径,当使用迎风格式时,模拟结果和实验数据平均误差低于10%,三组算例的差异范围仅为1%～2%。使用高阶差分时,CFD模拟值与实验值的平均误差达到20%,不同算例之间误差范围在1%～20%,非曳力相间作用力的加入会对模拟结果有一定的影响,但规律不明显。在不同的传质模型中,小涡模型获得的传质系数更准确,与实验值误差仅3%。在上述流场研究的基础上,进一步开发了 CFD/CM模型,用于研究混合差异对发酵过程的影响。将流场模拟与生物模型相整合,实现了补料批发酵过程的模拟。论文模拟过程中创新性地同时引入了体积和速度场的变化,解决了长期以来,CFD无法进行体积变化过程模拟的难题。文中比较了不同反应器规模（3L以及400L）和桨叶结构（2RT以

关键词： 微机电系统   水凝胶   数字化   微流控  

摘要： 摘要隐藏中

关键词： 环境工程   工程流体力学   教学内容  

摘要： 工程流体力学是一门系统性强、公式多,并对物理和高等数学的基础有较高要求的学科。本文结合多年的实际教学工作,深入剖析了如何将工程流体力学课程有效地应用于环境工程领域,在满足专业要求的基础上实现对学生的因材施教。

摘要： Caenorhabditis elegans is one of the most important and widely studied model organism in biological sciences. The high degree of genetic homology of this nematode with more complex organisms, including humans, makes it a primary model for studying fundamental, evolutionarily conserved processes in life, observable in a direct and simple manner. Particularly, the use of fluorescent protein reporters has enabled the direct localization and quantification of protein expression in a non-invasive manner at the cellular, tissue or organism level, further facilitating the visualization of dynamic processes in vivo. Recent years have seen much development of microfluidic technologies for the manipulation and processing of C. elegans in a precise, high-throughput and configurable manner. Importantly, fluorescence-based detection systems have been integrated with microfluidic platforms for phenotypic screens of mutagenized C. elegans encoding fluorescent proteins. Herein, we have developed microfluidic systems for high-throughput C. elegans in vivo screening and sorting based on the quantification of fluorescent protein expression. The rapid quantification of fluorescent proteins throughout the animal's body allows for the extraction of fluorescence profiles of C. elegans, as well as basic characteristics of this expression, e.g. mean fluorescence value. Since the system allows processing of large numbers of C. elegans in a short amount of time (thousands of worms per hour), phenotypic variability among C. elegans populations can be assessed. This technology platform enables temporal dynamics of protein expression to be extracted and quantified with precision in a gentle manner, with no effect on C. elegans viability. Furthermore, the capability of the system of sorting populations in a quantitative manner, makes this microfluidic system suitable to be used for subsequent ageing and lifespan studies. In this thesis, we characterized and modelled the heat shock response of C.

关键词： 微流体   环境相   介稳中间体ACC   结晶相变   COMSOL模拟仿真  

摘要： 传统实验方法往往存在难以捕捉介稳中间体的问题,而介稳中间体的研究是解开多晶型物质晶体形成和晶型转变机理的关键,且揭示这些机理对于新材料的开发和制备都具有重要的意义。本文借助微流体技术,从晶体生长的环境相角度,通过搭建微流体结晶实验平台,探究无定型碳酸钙(ACC)在此环境相中的形成规律和转变机制,采用实验辅以COMSOL模拟计算的方法建立起扩散离子在微通道中的分布模型,并通过在线监测结合离线表征分析,解析微流体环境相的特性及其对ACC的影响机制。首先,搭建了微流体结晶实验平台,设计了两种类型芯片-可逆芯片和不可逆芯片,芯片微通道结构为“Y字型”,尺寸统一为宽200μm,深100μm。通过模拟软件COMSOL中微流体模块,建立了扩散离子在微通道中不同流速时浓度分布模型。计算结果表明,低流速下(0.1μl/min)流体流动方向上,扩散系数较小的CO在微通道两侧存在较高的浓度梯度,而Ca基本扩散均匀,微通道两端浓度梯度很小,由此导致微通道内CO一侧溶液过饱和度明显较Ca一侧大,然而随着流速增大这种过饱和度的差异逐渐变小。不同流速下的碳酸钙微流体结晶实验也表明低流速下(0.1μl/min)晶体会偏向CO一侧结晶析出,而当流速增大时(5μl/min、10μl/min)碳酸钙晶体主要在两相流体接触界面处结晶析出。对微通道内ACC结晶过程不同位置处的产物进行离线SEM、拉曼光谱表征,结果表明结晶产物为霰石、球霰石和方解石三种晶型的混晶。在靠近Y字芯片通道交汇处,结晶产物为以球霰石晶型为主的混晶,而在中部则为球霰石与方解石比例大约为1:1的混晶,但是在靠近流体出口的地方,则产物为以方解石为主晶型的混晶。这从时间和空间上展示了受扩散控制的结晶过程对中间体ACC结晶的影响,是一种以空间换时间的影响机制。微流体中环境相对ACC的影响规律研究表明,ACC不总是在碳酸钙的反应结晶过程中出现。实验发现当反应物CaCl和NaCO的浓度大于6 mmol/L时,碳酸钙反应结晶过程通过介稳中间体ACC间接结晶析出碳酸钙晶体,而当反应物的浓度介于2.0 mmol/L与6.0 mmol/L之间时,结晶过程将不会出现介稳中间体ACC,而是经过一段时间的结晶诱导期之后析出碳酸钙晶体。微流体中ACC的转变机制研究表明,中间体ACC通过溶解-再结晶的转变机制,不仅维持着碳酸钙晶体附近溶液的浓度,促进晶体的长大,ACC最终也转变为了晶体,同时从碳酸钙晶体长大的速率可以判断ACC的溶解速率。这些内容的研究不仅为多晶型物质介稳中间体的研究提供了新方法,而且也为多晶型物质的一步成核和多步成核机制提供实验支撑。

摘要： The overall goal of research in our group has been to develop devices and use techniques for rapid, easy detection that would also be fully automated, highly sensitive, cost effective and involves multi-protein detection with moderate to high throughput with respect to the increasing need in clinical diagnostics of today. The devices used are developed using 3D printing technology and the methodology used was based on the generation of chemiluminescence (CL), which is obtained by applying a fixed voltage and then measured with a CCD (Charge Coupled Device) camera as a detector. The chemiluminiscense replaces the colorimetric detection of proteins which is used in traditional ELISA thus modifying the ELISA kit assays which is considered the gold standard for protein detection and making it more suitable for POC testing.