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第1章 绪论1

1.1 微流控芯片2

1.2 微流控芯片的流动机理研究4

1.2.1 微流控学与微尺度流体力学4

1.2.2 微流控芯片中流动研究的框架6

1.3 微尺度流动的研究内容及特点8

1.3.1 微尺度流动的主要研究内容8

1.3.2 微尺度流动的主要特点14

1.4 微流控芯片中的局部纳流控简介17

1.5 本章小结19

参考文献19

第2章 微流控芯片压差流动22

2.1 连续介质流动方程组23

2.1.1 连续性方程23

2.1.2 动量方程24

2.1.3 能量方程25

2.1.4 牛顿流体与非牛顿流体25

2.1.5 连续性假设的适用性27

2.2 典型流动28

2.2.1 二平板间的流动28

2.2.2 无限长直圆管中的黏性流动30

2.2.3 斯托克斯流动31

2.3 管道流动参数计算32

2.3.1 管道能量损失计算公式32

2.3.2 管道流量公式33

2.3.3 管道截面尺寸对流量的影响34

2.3.4 复杂管网的流量计算36

2.4 边界条件38

2.4.1 滑移边界条件38

2.4.2 光滑表面滑移长度的估算41

2.4.3 粗糙表面滑移长度的估算43

2.5 应用实例45

2.5.1 惯性力的作用45

2.5.2 气动阀门与PDMS材料模量的关系46

2.5.3 流体整流器48

2.5.4 多功能脉冲流动微过滤器48

2.6 本章小结50

参考文献50

第3章 微流控芯片电动流动52

3.1 微流控系统多物理场耦合电动流动方程组53

3.1.1 双电层，电渗流和泊松-玻尔兹曼方程53

3.1.2 微流控系统电动流动多物理场耦合方程组61

3.2 电渗流特性和影响因素65

3.2.1 电渗流的焦耳热效应65

3.2.2 压强差流动的电黏性效应70

3.2.3 电场调控电渗流72

3.3 交变电渗流动76

3.3.1 均匀等截面微通道交变电场驱动电渗流77

3.3.2 交变电场调控双电层和电解质离子运动84

3.3.3 对称和非对称电极组交变电渗流87

3.3.4 行波电场电渗流88

3.4 应用实例91

3.4.1 电渗流泵91

3.4.2 电泳分离溶液的电动进样92

3.4.3 电动液体混合器93

3.5 本章小结94

参考文献94

第4章 微流控芯片的传质与传热99

4.1 传输过程100

4.1.1 分子传输现象100

4.1.2 非稳态传输现象102

4.2 流动传质规律102

4.2.1 对流-扩散方程102

4.2.2 泰勒弥散103

4.2.3 有效扩散系数的计算104

4.2.4 T形通道扩散过程104

4.3 微混合器105

4.3.1 被动混合105

4.3.2 主动混合107

4.4 传热现象108

4.4.1 微尺度传热基本特征108

4.4.2 典型的微尺度热物理效应108

4.5 应用实例111

4.5.1 浓度梯度的形成111

4.5.2 微流控免疫测定芯片的性能优化113

4.5.3 微流控聚合酶链式反应115

4.5.4 基于相变原理的微阀117

4.6 本章小结118

参考文献118

第5章 微通道中的液滴运动120

5.1 微尺度多相流液滴动力学的基本原理121

5.1.1 液滴动力学中的无量纲参数121

5.1.2 润湿现象122

5.1.3 微通道中的液滴流动行为123

5.2 微通道中的液滴操控126

5.2.1 液滴生成方式126

5.2.2 液滴输运方式128

5.2.3 具有粗糙表面通道内的液滴运动129

5.2.4 液滴分选与定位130

5.2.5 液滴融合131

5.3 应用实例132

5.3.1 液滴的混合增强132

5.3.2 微生物研究134

5.3.3 微反应器135

5.3.4 液滴／气泡逻辑136

5.4 本章小结138

参考文献138

第6章 表面润湿现象140

6.1 基本概念141

6.1.1 润湿性141

6.1.2 真实表面143

6.1.3 分离压力147

6.2 毛细效应149

6.2.1 液滴的形状149

6.2.2 弯月面150

6.2.3 毛细提升简介151

6.3 液滴在固体表面的运动153

6.3.1 液滴移动的速度153

6.3.2 液滴的铺展154

6.3.3 润湿性梯度驱动的液滴运动156

6.4 数字微流控158

6.4.1 电润湿的基本概念158

6.4.2 Taylor-Melcher漏电介质模型161

6.4.3 电润湿下的液滴运动163

6.4.4 交流电润湿167

6.4.5 纳尺度电润湿170

6.5 应用实例173

6.5.1 蛋白质组学174

6.5.2 DNA处理175

6.5.3 基于电润湿技术的聚合酶链式反应177

6.5.4 集成电路的冷却178

6.6 本章小结179

参考文献180

第7章 微流控芯片的粒子受力和运动184

7.1 粒子表面特性与运动的描述185

7.1.1 溶液中粒子的表面特性185

7.1.2 溶液中粒子运动的一般描述186

7.1.3 受限粒子的运动190

7.2 粒子电泳与介电电泳193

7.2.1 粒子电泳193

7.2.2 粒子介电电泳194

7.3 粒子的其他作用力198

7.3.1 磁场力和磁泳198

7.3.2 声驻波力199

7.3.3 光辐射力200

7.4 纳米粒子的布朗运动201

7.4.1 朗之万方程202

7.4.2 粒子扩散与热力学力203

7.4.3 纳米粒子布朗运动的应用204

7.5 细胞的操控206

7.5.1 细胞及细胞操控的特点206

7.5.2 细胞操控的一般方法208

7.5.3 细胞的特殊操控方法215

7.6 本章小结219

参考文献219

第8章 微流控芯片流动的数值模拟方法222

8.1 基于连续性的微流动数值模型225

8.1.1 微尺度电渗流数值模拟225

8.1.2 液滴／气泡的数值模拟方法232

8.2 基于非连续性的微流动计算模拟235

8.2.1 分子动力学模拟235

8.2.2 格子-玻尔兹曼算法237

8.2.3 耗散颗粒动力学算法240

8.3 流体力学计算软件和开放源代码介绍244

8.4 本章小结245

参考文献245

第9章 微尺度流动测量方法249

9.1 MicroPIV/PTV速度测量系统250

9.1.1 粒子图像测速原理250

9.1.2 MicroPIV/PTV系统组成251

9.1.3 MicroPIV/PTV系统主要参数及特点253

9.2 NanoPIV/PTV速度测试技术258

9.2.1 全内反射技术原理258

9.2.2 NanoPIV系统组成及主要技术参数259

9.3 激光扫描共聚焦系统260

9.3.1 扫描共聚焦显微镜的成像原理260

9.3.2 激光扫描共聚焦系统组成和主要参数262

9.4 压力与流量测量264

9.4.1 压力测量264

9.4.2 流量测量265

9.4.3 流量／压力控制仪266

9.5 温度和浓度测量267

9.5.1 温度测量267

9.5.2 浓度测量269

9.6 微流动测量实例270

9.6.1 应用MicroPIV技术测量微液滴流场270

9.6.2 应用共聚焦显微镜测量液滴内部流场271

9.7 本章小结272

参考文献272

结束语275

专业词汇索引277