基于数字化微流控芯片的碳酸钙成核现象研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 碳酸钙作为一种重要的生物矿物和天然矿石，阐释其成核机制在工业生产和 科学研究中都有着十分重要的意义。成核速率是决定碳酸钙晶体质量和生产效率 的重要参数，成核本身是一个随机事件，只能通过统计学的方式来估计成核速率。 然而，目前在为碳酸钙的成核速率提供可靠的实验数据的领域仍存在研究空白， 这是由于碳酸钙作为一种典型的非温敏性晶体对成核速率的测量装置有着特殊的 要求：测量装置能够以化学反应的方式形成过饱和液滴，且长时间成核过程中液 滴水分保持不变。统计学估计要求样本即每个液滴的独立性和同分布性。成核要 求反应环境不受外界环境和内部环境的各种干扰。 常规的液滴微流控方法为满足这些需求常需要复杂的芯片结构、繁琐的操作 和昂贵的流体控制和驱动设备，本文提出了一种集成高密度微腔阵列的数字化微 流控芯片以更加简便、经济的方法满足测量碳酸钙成核速率的要求。本文的主要 内容： ①为了满足碳酸钙成核速率测量的特殊要求，设计并制作了一款集成高密度 微腔阵列的数字化微流控芯片。该芯片利用微腔阵列结合油相隔离实现样品的大 规模、数字化分割，将单一样品分割成大量高度均匀和稳定的微液滴，每个液滴 均可作为独立的反应单元观察成核事件，使得芯片所形成的反应体系能够满足成 核事件的统计学研究的需求。同时，为了有效避免水分挥发问题对反应单元过饱 和度的影响。除了采用玻璃-PDMS-玻璃（glass-PDMS-glass ，GPG ）夹心式结构 构建芯片外，还在PDMS 微腔阵列下方加入了大体积补水空腔，该空腔一方面可 以提高自吸入式进样的速度，避免混合溶液在形成液滴前成核；另一方面，该集 成空腔还能保证微腔阵列中的液滴在长达几天的成核观测过程中水分保持不变。 ②为了进一步验证所设计制备的高密度微腔阵列式芯片应用于探究成核机制、 测量成核速率的可行性，分别测量并分析了两种重要碳酸钙结晶——高镁方解石 和文石在三个不同溶液浓度下的成核速率。在相同条件下做了大体系成核的对照 实验。并对不同条件下不同体系中不同晶型的晶体的形貌和晶型进行表征。探究 过饱和度和受限空间对高镁方解石和文石成核的影响。实验结果表明，高过饱和 度能显著提高晶体的成核速率和结晶率，小体系延长平均成核时间的效果显著。 进一步证实了该芯片可应用于非温敏性晶体成核速率的测量。 关键词：微流控芯片；零水分散失；微腔阵列；碳酸钙；成核速率 I 英文摘要 ABSTRACT As an important biological mineral and natural ore, revelation of nucleation mechanism of calcium carbonates is of great significance for both industrial production and scientific research. The nucleation rate is one of the most important parameters determining the crystal quality and production efficiency of calcium carbonate. Nucleation is a stochastic process and the nucleation rate can only be estimated statistically by creating simple random sample. There is still a research gap in the field of providing reliable experimental data for the nucleation rate of calcium carbonate, since calcium carbonate is a typical non-temperature-s