关键词： 微分离器   微反应器   DNA 检测   微流体系统   粒子聚集   居家检测  

摘要： 本研究结合应用奈米粒子聚集现象与微型分离器机制，发展一创新简易之生物分子检测平台及方法。以检测去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid, DNA)分子为例，利用分别修饰有两种探针DNA之萤光微粒，当两端分别与两种探针DNA互补之目标DNA存在时，目标DNA将探针DNA杂交反应而造成粒子聚集现象，粒子聚集大小将与目标DNA浓度有一定比例关系。将聚集后粒子通入分离器中并根据微分离器分离聚集粒子之结果，可反推直接得知目标物浓度。粒子表面之探针DNA标定利用链霉抗生素蛋白(streptavidin)对生物素(biotin)的高度亲和性完成，并利用动态光散射粒径分析(dynamic light scattering, DLS)及萤光显微镜影像分析，探讨粒子聚集程度与目标DNA浓度的关系。聚集粒子样品通入聚二甲基矽氧烷(PDMS)材质制作之微分离器，以萤光显微镜及电荷耦合元件(CCD)相机拍摄长时间曝光之粒子萤光影像，分析萤光讯号峰值之位置，以定量目标物浓度与讯号峰值位置之关系。多出口之设计帮助检测解析度，并佐以CFD-RC软体模拟出口流速分布，验证出口之压阻分配计算无误。利用萤光分析目标DNA造成粒子聚集尺度与其在微分离器中之横向位置，可得一剂量反应曲线，直接定量实际未知的样品浓度；可达到之DNA最低检测极限为33 pM，最高检测极限10 nM，动态范围为0.33 ~ 10 nM。双出口的设计，帮助快速筛选目标DNA含量0.33 nM以上之样品；多出口不对称阻力设计则帮助快速判读目标物浓度范围。针对检测专一性及基因变异检测的表现亦经测试证实可靠与实用；以分离再结合式微反应器(SAR)测试粒子聚集效应，亦具有不错成果。本研究之特点是以微流体系统操控检体与试剂迅速完成反应，并于同一平台上进行讯号侦测及分析，达到简易、多功能、低成本、试剂用量少、无需标定目标物、亦无需复杂仪器之检测。自评所发展之技术与系统可提供生物分子检测、甚至化学检测、环境监控及居家看护检测方面更为简便之技术；同时具有多目标物同步检测及其他基因变异检测之应用潜力，具备取代现有传统技术的商机。

关键词： 微流體   蝦紅素   液滴   微流體晶片  

摘要： 微胶囊技术泛指将目标物质包埋在粒径从1 μm到几百 μm之间的微小球体之技术，其功能主要在保护目标物质并维持其生物活性，可运用於具生物活性的物质及药物，例如动植物色素、维生素、胜肽及酵素等等。可依包覆材质特性，在适当时机与位置释出目标心材达控制或连续释放效果。本研究结合软微影技术与流体力学原理设计微流体系统以制备微胶囊。使用SU-8光阻以微影制程依设计制作微结构模板，再利用polydimethylsiloxane（PDMS）材料翻模制作液滴微通道，搭配玻璃基板与连续动力供应系统完成新开发之微流体液滴平台。本研究制备液滴的十字形微流体通道宽0.8 mm度、深66 μm。动力系统使3％（w/v）褐藻酸溶液及含3％（w/w）醋酸钙微粒葵花油溶液分别经旁侧通道及中间通道注入主通道，在主通道内，外侧流体（褐藻酸溶液）夹挤中间流体（葵花油）在线性流（laminar flow）模式及剪切效应（flow focusing）下形成水包油的液滴。液滴形成後悬浮於葵花油中的醋酸钙微粒会扩散至外侧水相褐藻酸溶液中并溶解释放出钙离子，诱导褐藻酸发生凝胶现象包覆液滴中心油相形成油心微胶囊。控制微流体系统中不同相流体的流速可以调整形成液滴的粒径大小，当设定中央通道油相流体流速为0.02 ml/min，旁侧通道水相流体流速为1 ml/min时，主通道中形成液滴的平均粒径为41.98 μm，粒径分布最小值13.46μm、最大值61.08 μm；当中央通道流速不变，旁侧通道流速降至0.6 ml/min，形成液滴的平均粒径为193.77 μm，粒径分布最小值为61.07 μm，最大值为276.97 μm。可见当固定中央通道流速，旁侧通道流速越快则形成之液滴粒径越小。未来可利用提升旁侧通道流体流速或缩小通道宽度，挑战制备粒径更小的奈米胶囊。使用含虾红素葵花油制备油心褐藻胶微胶囊，可制备成约含0.14％虾红素褐藻胶油心微胶囊。新开发之微胶囊制备平台可搭配不同心材与壁材，量产高品质微胶囊，并运用於微胶囊研究及商业用途上。具能连续式量产、粒径分布稳定、粒径可调整、加工方式温和、能即时监控生产过程等优势。未来可利用晶片复制技术平行并联增加产能或更进一步整合於其他微流体系统中，进行动力学或生化反应之相关研究。

关键词： 超临界流体技术   化学反应工程   石油化工   生物技术   科技进步   经济发展   技术本身   环境工程   环境保护   萃取分离   超越传统   材料科学   多领域   低能耗   应用   渗透   露头   环保  

摘要： 超临界流体技术自上世纪70年代开始就已经崭露头角.此后便以其环保、高效、低能耗、经济等显著优势轻松超越传统技术,迅速渗透到萃取分离,石油化工、化学反应工程、材料科学、生物技术、环境工程等诸多领域,并成为这些领域发展的主导之一.今后,随着人们对于超临界流体技术认识和研究的进一步深化,这一新兴技术必将得以更广泛和深入的应用,而超临界流体技术本身也必将对人类科技进步、经济发展和环境保护产生深远的影响.

关键词： silicon photomultiplier   fluorescence light detection   PDMS   microfluidic chip  

摘要： In this paper, two optical detection systems - first based on the tube and the second one on the silicon photomultiplier are described. The detection system was tested for fluorescent dyes - sodium fluoresceinate and resorufin excitated in two systems: static and dynamic i.e. in PMMA cuvettes and PDMS made microchannels, respectively. Sources of excitation light were 488 and 532 nm wavelength laser diodes and blue/green LEDs (light emitting diodes). In the experiment tube and silicon photomultipliers applied in the above-mentioned systems were compared.

关键词： 集输环境   二氧化碳驱油   采出液   基本物性  

摘要： 为了给集油系统中油、气、水混输管路的压降、温降计算研究以及后续的站外集油系统工艺运行参数优选等提供基础数据，有必要研究二氧化碳存在条件下的采出液基本物性。　　设计并搭建了二氧化碳驱采出液带压条件下溶解度、密度、粘度及凝点测试实验装置，模拟集输环境的温度和压力，进行了二氧化碳驱采出液物性实验研究。得到了二氧化碳在原油及水中溶解度随着温度和压力变化相关式，确定了含饱和二氧化碳采出液的密度、粘度随温度和压力的变化规律，得到了含饱和二氧化碳凝点随压力的变化规律。上述结果已经应用于吉林油田二氧化碳驱试验区地面集输系统的设计中。

关键词： 流体   城市   参数化设计   环境响应   讲座   计算机技术   算机辅助设计   工程技术人员   虚拟现实   设计活动   设计方法   建筑领域   过程实践   持续发展   创造性   绘图   潮流  

摘要： 从1980年开始计算机绘图和辅助设计,到1990年进行的计算机虚拟现实研究和介入设计过程实践,再到目前大行其道的参数化设计(ParametricDesign),经过近30年的持续发展,计算机技术对设计起到了极大的推动作用。计算机辅助设计作为一种新兴的现代设计方法，已成为工程技术人员进行创造性设计活动中不可缺少的手段。参数化设计的潮流正在以始料未及的速度席卷整个建筑领域。

关键词： IPMC   杨氏模量   并联结构   微型泵送系统   微型溶栓系统  

摘要： 离子交换膜金属复合材料IPMC (Ionic Polymer Metal Composite)是一种新型的电致动复合智能材料,该材料以高分子聚合物Nafion薄膜为基体,具有变形量大、弹性性能好等接近于生物肌肉的优点。这种材料在军事、航天、生物医学等领域具有巨大的应用前景,因此受到国内外众多学者的关注。 本文首先针对目前IPMC杨氏模量测试技术中存在的问题,提出了基于悬臂共振理论的新型无损精确的IPMC杨氏模量测试方法,并利用该方法测定出IPMC样条的杨氏模量,测定结果证明对于IPMC这种特殊材料而言,该方法是一种有效的无损测定方法。 根据IPMC的RC模型理论,推导出多层形式的IPMC的输出特性,利用导电银胶粘结技术制备了并联结构的2-IPMCs样品,对其进行了性能测试,并将其与制备该样品的单层IPMC的性能进行了对比。 对无阀微泵的功能结构扩散管、收缩管进行了理论分析,并基于ANSYS/Flotran对不同角度的扩散／收缩管进行了仿真分析,确定了最优扩靓收缩角。采用激光加工技术和PDMS制备技术开发出基于IPMC智能材料的微型泵送系统样机。 最后对IPMC的振动性能进行了实验研究。利用Chirp扫频方法测定出水环境中IPMC材料的前两阶固有频率,并通过溶液消色法测试出其在不同模态下的搅拌性能,为IPMC在微型溶栓系统的应用和研究奠定了基础。

关键词： 流体模拟   光滑粒子流体动力学   碰撞检测   约束力  

摘要： 包括流体模拟在内的虚拟现实技术现在已近被广泛地应用于现实生活中许多领域，特别在影视特效，视频游戏，动画制作中运用尤其广泛。流体模拟作为虚拟现实技术的一个重要分支，模拟了现实生活中随处可见的流体，无论是翻滚的波浪，飞溅的水花还是奔腾的瀑布等等都是流体不同的表现形式，都属于流体模拟的范围。本文研究虚拟现实模拟领域中，动态复杂环境下真实感流体运动模拟技术研究的若干核心和困难问题，核心研究内容主要包括4个方面。 第一，基于数值模拟的流体动画模拟。 SPH法作为一种基于拉格朗日的无网格法，把流体看成是大量运动粒子的集合，每一个粒子都包含有压力，位置，速度，密度等属性。这些具有自身材料特质的粒子，在外力和内力的协同作用下，按照流体运动的质量守恒和动量守恒的规律进行运动。 第二，基于碰撞检测的流体与三角网格的交互。 使用一种基于碰撞检测的流体边界控制，不同于基于粒子表现的流体模拟边界控制中把与流体交互的边界粒子化后归属于流体模拟过程中的一部分的方法，基于碰撞检测的流体与三角网格物体的交互降低了交互物体模拟和流体模拟的耦合性，使之更独立，更加符合现实世界，使边界形状更加多样，也使边界条件更加灵活，更重要的是使边界的改变不再影响流体模拟条件，流体通过碰撞检测自动感知边界产生变化。 第三，通过区域约束条件和风力场改变流体运动方式。 区域约束条件实现了，当流体在模拟过程中接近约束区域时，不会穿透约束区域，约束区域还可能给流体提供额外的作用力，改变流体运动。 风力场模拟的是现实生活中的风的作用力。“无风不起浪”这说明要模拟现实生活中水面荡起的浪花，层层的涟漪，就要在模拟空间中添加风力的作用。 第四，基于流体模拟的编辑器的实现. 可视化编辑器子系统提供了可视化的流体与刚体的运动模拟和相应物理动画内容的创作平台。通过可视化界面为用户提供了高效、易用的流体与刚体运动模拟和物理动画内容创作的集成环境。可视化编辑器子系统可提供给艺术家们一系列精心设计的工具，操作直观，简单，易于上手。

关键词： 局域表面等离子共振   行波压电微泵   微流体系统   纳米粒子   生物传感芯片  

摘要： 随着生命科学的不断发展，生物医学检测和生物化学分析得到越来越多的重视，微纳米结构的微流体系统已经逐渐成为研究的热点。本文的主要工作是在研究金纳米粒子的局域表面等离子共振（LSPR）消光特性的基础上，将行波压电微泵与LSPR传感器件集成制作在玻璃基片上，形成一体化的高灵敏度生物芯片系统，实现整体系统的小型化和低成本。在行波压电微泵的制作中，设计了新型的微泵管道结构，提高了微泵输送液体的效率。为了给LSPR传感区域的金纳米粒子消光性质提供理论依据，采用离散偶极子近似（DDA）等仿真算法分析了不同间距的金纳米粒子阵列的消光性质，得出其分布密度对整体灵敏度的影响。并利用金纳米粒子在可见光区的LSPR消光特性，分析纳米粒子表面的分子反应过程。本文的研究目的，是为了开发用于生物医学领域的小型、廉价、高灵敏度、集成化的LSPR生物芯片检测系统。主要研究工作包括： 1．行波压电微泵的理论研究与仿真分析。选用压电双晶片作为行波压电微泵的执行器，详细分析了压电双晶片振幅模型的理论推导和行波在弹性管道上的形成机理;利用有限元分析软件ANSYS对压电双晶片进行建模仿真，分析了几个重要因素对压电双晶片振幅的影响，对设计参数进行优化改进;同时还分析了与弹性管道接触的压电双晶片输出不同位移时，管道内部产生的位移响应。 2．行波压电微泵的设计和制作。以PMMA为材料，用微机械加工方法制作行波压电微泵基底和微泵管道模具;将液体高分子材料PDMS注入到PMMA模具中，经过固化处理，制作出弹性微泵管道;在微泵基底上制作了PDMS薄膜，利用热键合工艺将微泵管道与基底粘合在一起，并将压电双晶片阵列安装在泵区管道上方，完成行波压电微泵的制作;将行波压电微泵的泵区管道设计为多级扩散结构的锯齿形管道，在较低的驱动电压下，提高了微泵的最大平均流速和背压，分别达到33.36μL/min和1.13kPa;在相同的测试条件下，与平直结构管道的行波压电微泵的测试数值（24.88μL/min和0.64kPa）相比，新型结构的微泵性能有较大的提高。 3．对不同纳米粒子及其阵列消光特性的仿真分析。采用离散偶极子近似（DDA）方法和时域有限差分（FDTD）方法，分析了金属纳米粒子的材料、形状、大小以及阵列结构等参数对其LSPR消光特性的影响;利用DDA方法仿真分析了不同间距的球形纳米粒子阵列的LSPR消光特性，分析结果说明消光峰值波长和强度随纳米粒子间距的减小而增大，但在间距较大的情况下，纳米粒子阵列的折射率灵敏度基本不变。因此，当纳米粒子阵列的间距较大时，其局部分布的不均匀不会影响LSPR传感芯片的整体性能。 4． LSPR生物传感芯片的测试。用柠檬酸钠还原法水相合成球形金纳米粒子，并将金纳米粒子自组装在硅烷化的玻璃基片表面，形成LSPR敏感膜;测试比较不同大小、不同分布密度的金纳米粒子阵列在不同介质中的消光特性，研究不同参数的敏感膜的LSPR消光光谱，从实验结果上说明金纳米粒子间距对折射率灵敏度的影响。 5．集成化LSPR生物传感系统的制作。以LSPR生物传感芯片为基底，利用紫外线键合工艺将行波压电微泵制作在芯片基底上，用来向敏感膜输送样品;并将检测光纤引入到LSPR敏感膜处，通过光纤将传感区域与片外分光光度计连接在一起，检测LSPR消光光谱，完成集成化LSPR生物传感系统的制作。 6．生物免疫测量的应用。用行波压电微泵将巯基烷酸、交联剂（EDC/NHS）和羊抗人IgG先后输送到固定有金纳米粒子阵列的LSPR敏感膜处，完成探针分子的修饰，测定各个反应步骤的LSPR消光光谱和折射率灵敏度，制备出高灵敏度的生物传感芯片。

关键词： environmental change   energy devices   modeling   physical and biological impacts.  

摘要： Research at the Interface of Marine Hydrokinetic Energy and the Environment: A Workshop;Minneapolis, Minnesota, 5-7 October 2011 Marine and hydrokinetic (MHK) energy harvesting technologies convert the kinetic energy of waves and water currents into power to generate electricity. Although these technologies are in early stages of development compared to other renewable technologies, such as solar and wind energy, they offer electricity consumers situated near coastlines or inland rivers an alternative energy technology that can help meet renewable portfolio standards. However, the potential environmental impacts of MHK energy are far from well understood, both in general principles and in site-specific cases. As pressure for new MHK energy licenses builds, accelerated research in providing the scientific understanding of harnessing the natural power of water for renewable energy at a competitive cost and without harming the environment becomes a priority.