关键词： 光压电   压电致动器   光敏材料   微帮浦   微流体   多功性操控  

摘要： 融合微机电制程技术于机械加工与制程设计，进而运用此类制程技术的高精准度和灵敏度来大幅提升精密加工的精度与成本，已成为近年来机械领域的研究重点之一。举例而言，透过微机电制程技术来实现复杂机械系统的微小化需求，以开发出种类众多，包含压力计、加速计、印表机喷头、抛弃式医疗用品等在内的低成本高精度致动器或感测器，更为机械制造的发展与应用带来全新的应用契机。综观其优点，包含能减少成本及消耗的样本及试剂量，能降低人为误差及分析时间，可有效节省人力成本及提高稳定性等。其中，微型机械致动器诸如微帮浦、微阀门、微混合器等主动元件，因具备优异的致动性能，更具备广泛应用于国防科技、生物医学领域、机密制造等重要领域的潜能。随着渐增的资源投入微机电系统的应用领域中，微流体与生物分析检测系统等也日益受瞩目。在这微全分析系统(micro total analysis system)中，每一个元件皆需一外接的控制电路或压力控制管线，才能达到完全自动检测的功能，也因此整体尺寸无法降低，且整体系统的复杂度极高，因此本研究提出一创新光压电(Optopiezoelectric)的设计理念，试图结合光控流体及压电耦合特性，开发出一光压电薄膜微帮浦致动元件并应用于微流体系统中。本研究所提之光压电机械致动元件，是结合压电高分子薄膜PVDF (Polyvinylidene Fluoride)与光敏材料酞菁钛氧TiOPc(Titanium Oxide Phthalocyanine)的特性，以微机电技术(MEMS)制作元件，开发一光压电薄板微致动器(Optopiezoelectric thin-film actuator)，并透过整合光压电微帮浦系统验证致动元件的可行性。有别于以往复杂的外接管路及庞大的驱动来源，本研究只需单一外接电源输入，便能达到驱动多组主动元件的功能。本研究结合压电材料的光机电耦合特性，以产生机械形变来推动液体，并结合光敏材料的光导电特性，以提供空间中选择性驱动的光操控特性，开发了一套低温光压电复合薄膜的制程方法。为了能提供最大的形变量，本研究引入有效表面电极及球壳型流道设计，达到最大的液体推动效果。透过选择性的光罩的设计，使本元件达到时间及空间上可程式化的操控功能。本研究可借由浓度、厚度及添加掺杂导电物的方式，有效控制光感电极的光电特性及阻抗特性，达到照光前后的阻抗变化(On/Off Ratio值)三个数量极的差异，并透过光感电极的开发与制程，有效提升光压电薄膜的致动效果。由分析中得知，有效表面电极的半径占薄膜半径的0.7倍有最佳效果，同时新增沟槽亦可提高形变量，且以位置设在电极半径的0.6倍为最佳。本研究最终将开发之光压电薄膜微致动器应用于微帮浦系统进行验证，并以微机电技术完成流道设计。由实验验证单一微帮浦的驱动体积流率为0.652 (μl / min)、双帮浦驱动的体积流率为1.178 (μl / min)，其体积流率提高约为1.8倍。将周期性照光加入光敏电极驱动光源中，体积流率有效提升至10.116 (μl / min)，为先前光压电帮浦的8.5倍。验证并达成了多工性操控(multiple-manipulation)微流体的理念。本研究实现了光压电致动器的理念，仅需使用单一的电源输入，便可实践动态且多工性的空间及时间的驱动效果，完成具单一驱动多组动态致动之机械介面控制元件，提供了机械领域的关键元件与工具，同时也开辟另一个重要的应用舞台，更提供了未来系统应用的成熟、稳定度、以及自由度。

关键词： 鍵結力量測   適體   心肌蛋白   急性冠心症   一級抗體(rabbit IgG)   二級抗體(anti-rabbit IgG)   微流體   微流體剪力   微球體  

摘要： 本论文以开发心脏病量测晶片为背景，量测专一性结合之蛋白质键结力。临床上对於急性冠心症(acute coronary syndrome, ACS)的诊断为症状评估、心电图判断以及心脏酵素浓度的检测。为实现心脏病患之定点照护系统，本论文所属计画致力於开发一生物感测晶片，透过适体(Aptamer)捕捉血液中心脏酵素(Cardiac troponin I)以检测血液所含酵素的浓度，由於本计画所开发之生物晶片与微流道结合，透过真空所造成的压差或毛细力将血液输送至检测区域，由於流体所产生的剪力有可能破坏蛋白质的专一性结合，因此本论文致力於量测此种专一性结合之键结力，以开发高精确度之简易量测系统为目标。量测蛋白质间键结力之方法已有许多文献提出，然而多以原子力显微镜(Atomic force microscope)为主要量测方法，以此方法量测，需昂贵的量测仪器与精确控制的量测环境，因此本论文开发一微流体系统间接量测一级抗体与二级抗体之间专一性结合之键结力。在本论文中，首先将一级抗体(Rabbit IgG)共价接合於含有羧基(-COOH)的微球体上备用，接着将微流道之基板以气象沉积之方式，沉积一层高分子层，此高分子层含有NHS-ester官能基，透过此官能基，二级抗体(Anti-rabbit IgG)共价接合於上，当含有一级抗体之微球体通入流到中，微球体上之一级抗体将被流道底部之二级抗体所捕捉而停留於流道中，接着通入缓冲液并逐渐加大流量，当流体所产生之剪力足以破坏键结时，微球体将被冲走。此外，利用萤光标记蛋白，单一微球体上所含蛋白质数量可透过萤光强度量化，透过上述实验并佐以模型计算，一级抗体与二级抗体之间的键结力将能够以计算之方式得知。在量测结果中，我们量测出此对抗体间的键结力约为118 pN，此结果与文献所测出的Human IgG与Anti-human IgG相较之下较大，但已经非常接近。本论文所量测之结果，为凡德瓦力、静电力与键结力的总和，若能以理论剪去静电力与凡德瓦力的影响，单纯由键结所提供之键结力即可得知。

关键词： 血液透析   免疫分析   分化   脂多醣  

摘要： 现在的生活中，大多数人忙於工作而没有注重饮食习惯和运动，因而有许多疾病的产生。肾脏的储存能力很强，往往要等到损伤极为严重，才会有明显的徵状。所以初期的徵状是不可轻忽的，必须要做仔细的检查以及按照医生的指示将药物服用完毕，才不会导致肾脏发炎。在2007年的统计中，肾脏病就已经位居全台第八位，而根据2013年美国USRDS所公布的统计数据显示，台湾的末期肾脏发生率位已从世界第一名降至世界第三名，但也由於血液透析的方式大大地延长患者的寿命，洗肾的人口不断的上升。但需要透过血液透析才能过滤血液中的杂质也就代表着肾脏的功能已经不可恢复，并一生都要依靠血液透析机。因此，肾脏的疾病越早发现并定期接受治疗，才可能避免面临洗肾的情况。本研究希望能够以微系统晶片实现模拟肾脏免疫反应的体外微环境，使研究更方便且更具有意义。我们利用微机电技术制作一个肾脏免疫分析晶片，并在晶片中加入低矮结构的设计来提高流阻以产生体外微环境所需的浓度梯度扩散。我们先利用三种浓度1 ng/ml、5 ng/ml以及10 ng/ml的大肠杆菌脂多醣(Lipopolysaccharides from Escherichia coli, *** LPS)去刺激肾小管上皮细胞(An immortalized proximal tubule epithelial cell line from normal adult human kidney, HK-2)，受到刺激後的HK-2会分泌讯号因子(cytokine)，我们利用ELISA方式来决定最後使用的浓度为10 ng/ml。之後，在完整的实验中观察此浓度刺激下所分泌的讯号因子对人类单核球细胞(Human acute monocyte leukemia cell line, THP-1)造成影响，而从此研究中我们看出THP-1细胞在受到刺激後第三小时开始有贴附的情形产生，也就代表人类单核球细胞有形态上的变化并有可能进行防御的动作，来保护遭受到攻击的肾脏。而此研究也成功利用结构设计来确保实验的准确性并提高流阻形成所需的浓度梯度扩散，且此微流体晶片同时具有检体使用量较少、低成本以及同步多重复实验的功能。

关键词： 微流体系统   仿生微通道   丝蛋白溶液   流变特性   壁面滑移  

摘要： 微通道作为微流体系统的重要组成部分，由于特征尺寸较小，流体在微通道内的流动表现出独特的现象，对微通道结构与微流体流动的研究成为了热点。家蚕吐丝时，丝蛋白溶液在前部丝腺内流动为一个独立的微流动过程，并且表现出良好的流动性能，为微流体系统的研究提供了新的思路。　　鉴于家蚕吐丝时丝蛋白溶液表现出良好的微流动性能，以研究丝蛋白溶液在前部丝腺内流动特性为目的，从丝蛋白溶液流变特性和滑移特性检测机理两方面，研究了丝蛋白溶液物理性质、高分子溶液流变行为表征和黏度模型;通过实验研究，分析了丝蛋白溶液剪切黏度在丝腺内流动时的变化规律;根据流变实验和壁面形貌检测实验，分析了剪切速率和表面疏水性对溶液滑移特性的影响;最后运用仿真分析了丝蛋白溶液在家蚕前部丝腺内的流动。本文具体研究内容如下：　　（1）研究了高分子溶液流变性能的表征、黏度模型、影响因素以及家蚕丝腺体结构和丝蛋白溶液物理特性，根据丝蛋白溶液特点，提出了丝蛋白溶液剪切流变实验的测试方法和滑移特性的检测机理。　　（2）运用RS600旋转流变仪实验研究了丝蛋白溶液剪切黏度和剪切应力随剪切速率的变化关系，探讨分析了中部丝腺不同部位内丝蛋白溶液的剪切流变性能、丝蛋白溶液稳态剪切黏度随时间的变化关系和不同剪切间距下溶液的流变特性。　　（3）利用扫描电镜和生物显微镜观测了家蚕丝腺内壁面形貌，分析了对溶液滑移的影响。根据变间距流变实验结果，利用Yoshimura滑移模型求解分析了剪切速率对滑移的影响，并且求出了滑移修正后丝蛋白溶液剪切黏度模型。　　（4）运用 Fluent对丝蛋白溶液在家蚕前部丝腺内的流动进行了仿真分析，探讨了入口流速0.001m/s下，溶液的滑移现象和流型。研究了微肋高度对溶液滑移现象的影响。对滑移速度的仿真结果和实验结果进行了对比分析。

关键词： 气泡喷嘴   雾化   高粘流体   高温   SMD预测  

摘要： 雾化射流技术在工业生产、医学治疗、农业喷雾等领域均发挥着重要的作用,良好的雾化也是高效、节能的前提。流体的雾化机理直接影响着雾化效果,保证雾化质量首先必须对雾化射流技术进行深入研究。近年来,随着现代社会技术的不断发展,雾化过程所涉及的液态介质不仅仅局限在传统单相低粘流体,而且延伸至高粘流体,所涉及的工况条件也不仅仅局限于常温常压,而且延伸至电磁、高温、高压等特殊环境。所以对特殊环境下,特殊流体的研究具有十分重要的现实意义。特别地,特殊环境下,高粘流体雾化特性分析成为相关领域研究的热点,它不仅有重要的学术价值而且有广泛的工业应用价值。本文首先利用CFD-Fluent VOF模型跟踪气液两相交界面的方法对喷嘴混合腔体内部气液流型转变条件进行了研究分析,并获取相关参数作为雾化射流场初始条件。设定ALR范围0.02.2,对喷嘴内部的气液两相流型变化进行仿真,得到四种经典流型及其转变条件。由于液态介质的粘度受温度影响较大,文章紧接着对液体粘温特性进行理论估算分析,并列举了几种常见介质的粘温特性曲线,分析了本文液态介质粘度随温度变化趋势。其次,本文利用CFD-Fluent DPM模型对雾化射流场进行数值模拟,考虑了液滴受力,二次雾化,液滴碰撞、合并等现象,连续气相采用N-S方程及湍流模型,离散液滴采用粒子跟踪法,其中湍流模型采用k-?及LES方法。利用稳态及瞬态模拟分别对下游雾化场进行分析,得到不同粘度的液滴沿轴向、径向分布规律。文中分析了各工况条件对射流雾化的影响,引入接近于介质沸点的温度,讨论分析了温度对甘油贯穿距、SMD变化的影响、不同温度下SMD轴向分布规律、不同温度下SMD径向分布规律。最后本文量化了ALR、喷嘴直径、入射压力、表面张力、粘度等影响因子对SMD沿轴向变化的趋势的影响,通过无量纲相乘的方式获得SMD预测公式,结合预测公式,通过大量可重复性计算与国内外公开发表论文中的实验数据相互验证后,证明该公式具有一定的参考意义,为工业界的粒径预测工作提供了一种新的思路。

关键词： 局域表面等离子体共振   行波式微流泵   微流体系统   银纳米粒子   光学生物传感器  

摘要： 随着纳米材料技术与微电子机械系统(MEMS)加工技术的不断发展,拥有高检测灵敏度的片上生物光学传感器已经成为当下的研究热点。本文研究与制备出了用于生物医学领域的集成化的银纳米LSPR微流生物光学传感芯片检测系统。主要研究工作包括：1、提出一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微流泵设计方法。采用微型永磁铁阵列作为产生行波的执行器,详细分析了行波在弹性微流管道上形成的原理和理论推导。在分析微流管道的流体特性基础上,研究了微流管道的几个重要因素对微流泵工作性能的影响,并对其进行优化改进。2、电磁行波式无阀微流泵的制作。使用MEMS微加工技术加工有机玻璃(PMMA)制备微流泵的上下衬底和微流管道的制作模具;利用热成膜方法在微流管道的模具中加工液体高分子材料PDMS制作出柔性微泵管道;采用热键合加工方法将制成的微流泵管道与基底封装,最后将微型永磁铁阵列安装在微流管道的上衬底中用以完成行波式的无阀微流泵的制作。此外,还设计了多级扩散结构的锯齿形微流管道,提高了微流泵的工作性能。3、提出一种快速、简易的水热制备方法来合成银纳米粒子。借助透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和紫外-可见分光光度计(UV-VIS)来测试银纳米的形貌及光学特性。并将银纳米粒子自组装在白玻璃基底上,形成银纳米LSPR前端敏感元件。4、集成化银纳米LSPR生物光学传感器的制作。以银纳米LSPR阵列前端敏感元件作为检测探针,利用MEMS加工方法将行波式无阀微流泵与银纳米LSPR阵列前端敏感元件集成到PMMA基底上;并将检测光纤通过支架放置到银纳米LSPR阵列前端敏感元件处,用于实时检测LSPR消光光谱的变化。5、植物蛋白分子(ConA)的测量应用。使用行波式无阀微流泵将不同浓度的刀豆球蛋白溶液输送到固定有银纳米LSPR阵列前端敏感元件的样品池中以检测不同浓度的ConA的LSPR消光光谱,验证该传感器的检测性能。

关键词： 压电泵   微流体系统   波形修圆   流体滤波器  

摘要： 压电驱动微流体系统具有结构简单、效率高和响应速度快等特点,随着科学技术的不断发展,其在各个领域的应用日渐广泛。然而,压电驱动微流体系统在实际使用中存在脉动问题,这限制了其在高精度和高稳定系统中的使用。为了提升压电驱动微流体系统的精确性和稳定性,本文针对压电驱动微流体系统脉动产生的原因,重点从驱动电压波形和流体滤波器两方面展开了脉动抑制方法的研究,实现了系统脉动的有效抑制。首先,对压电驱动微流体系统脉动产生机理进行探索,分析了系统脉动的影响因素,在此基础上,分别研究了视觉检测、电子天平检测和流量传感器检测三种方法,通过实验确定流量传感器检测方法,流量传感器检测法是一种客观可行的系统脉动检测方法,其既能满足实时性要求,又能够直观表征系统脉动的大小。在系统脉动影响因素分析的基础上,对比研究分析了不同的驱动电压波形的脉动抑制效果,提出了基于驱动电压波形修正的脉动抑制方法,利用“椭圆修圆法”原理,研究了不同波形修圆参数的系统脉动抑制效果,以流速稳定性为标准,获得了效果最佳的修圆参数组合。为了获得满意的脉动抑制效果,设计了一种用于抑制系统脉动的流体滤波器,根据滤波器的工作原理,研究了管道形状、通道尺寸和薄膜半径等因素对脉动抑制效果的影响规律。同时,利用Comsol软件对流体滤波器的性能进行仿真分析,依据脉动抑制效果,选择了最优的尺寸和结构。最后,以给定目标流速下的系统脉动抑制效果为目标,采用驱动电压波形修正与流体滤波器结合的脉动抑制方法,通过实验验证了抑制方法的有效性和可靠性。

关键词： PFC   液态锂   流动传热   液态锡   ANSYS  

摘要： 选择何种材料作为聚变堆中面对等离子体部件(Plasma-facing components),如偏滤器靶板和聚变腔室第一壁,一直是困扰聚变研究人员的一大难题。和固体PFC相比,液态金属PFC具有自身循环流动、自我更新和修复能力,持续带出热量并保护其后面的高Z固体壁少受损害,减小堆芯等离子体的杂质污染程度等优点,是非常有前景的PFC候选材料。世界上很多国家相继建立了液态金属回路来研究聚变等离子体和液态金属之间的相互作用,本课题组也在高密度等离子体发生装置基础上搭建了循环流动液态锂回路。本文主要研究回路中液态锂与等离子体相互作用的流动传热问题,也考察了液态锡作为计算流体时的温度和速度变化情况,并与液态锂的计算结果做了比较。本文应用商业软件ANSYS CFX计算了等离子体热流密度和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布和速度分布的影响。结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热流密度的增大线性升高,在冷却水流速为1.5 m/s的条件下,热流密度为0.1 MW/m2和1 MW/m2时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3℃和458.6℃。液态锂流速增大,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。本文还计算了液态锂流速、热流密度、冷却水流速和温度对冷却水冷却效率的影响。结果表明:液态锂温度随液态锂流速的增大而降低,热流密度小于2 MW/m2时,水冷能够满足对液态锂温度控制的要求,在更大热流密度作用下,水冷显现出冷却能力不足。增大冷却水流速是降低液态锂温度、提高冷却效率的有效途径,冷却水温度对液态锂温度和冷却效率的影响较小。此外,本文还重新设计了自由液态锡表面的流体结构模型,计算了初始流速和热流密度不同时液态锡的速度变化和温度变化,得到了流动液态锡的速度分布和温度分布。结果表明垂直流动方向液态锡流速较为均匀,沿流动方向液态锡流速逐渐增大、液态锡液面厚度逐渐变薄。初始温度为600 K的条件下,热流密度为1 MW/m2时,液态锡出口温度为623.38 K;热流密度为5 MW/m2时,液态锡出口温度为720.18 K。在相同条件下使用液态锂作为计算流体,结果表明出口处液态锂的温度低于液态锡的温度。

关键词： 环境保护   超临界流体技术   污染  

摘要： 超临界流体技术的兴起在上世纪70年代末, 经过近四十年的发展. 随着人们对超临界流体技术更深入的认识和研究, 超临界流体技术已被广泛的应用于食品、 生物技术、 化学工程、 环境保护工程等众多领域.