微流控技术作为一种操控或处理小尺寸流体的技术,能够在消耗少量样品的情况下进行生化分析。微流控技术具有反应速度快、灵敏度高、样品消耗少的优点,因此广泛应用于化学检测、生物医药等领域。其中开放式液滴微流控系统由于结构简单,方便观察和处理液滴,而且交叉污染的风险低而受到广泛的关注。在微流控技术中,静电力和介电电泳力作为控制微流体的常用方法,具有响应速度快、灵敏度高、功耗低的优点,但通常需要较高的电压。高压电源和复杂的管理电路限制了该技术的应用。而摩擦纳米发电机作为一种新型能量收集技术,能够将周围环境中的机械能能转换为电能,具有结构简单,成本低的优点。摩擦纳米发电机的输出具有电压高,电流小的特点,而对液滴的控制能直接利用摩擦纳米发电机输出的高电压。而且相比于传统高压源,由于摩擦纳米发电机输出电流较小,能够更加安全的控制液滴。因此,本文提出了一种新型的自供电微流控系统,利用摩擦纳米发电机为微流控芯片供电,进而精确控制液滴运动。本文通过理论和有限元仿真分析了微流控系统的工作机理,然后进行实际性能的测试,最后展示其在化学方面的应用。具体研究内容如下:1、设计并制作了一种基于摩擦纳米发电机的自供电微流控系统。分析了其各部分的功能以及工作原理,包括摩擦纳米发电机的发电理论,分流开关将分配电压的工作原理,以及分析了微流控芯片通过静电力和介电电泳力控制液滴的受力情况。并利用COMSOL软件通过有限元仿真分析了摩擦纳米发电机和微流控芯片的电场分布。设计带有不同宽度、间隙电极的微流控芯片,以分析电极对电场分布以及强度的影响,为控制液滴提供理论指导。2、对自供电微流控系统的性能进行实验测试分析。首先测试了摩擦纳米发电机的输出性能,在转速为400 r/min时,开路电压为3500 V,连接二极管后,电压可达到5000V。接着详细研究了自供电微流控系统的控制液滴的性能,主要包括不同电极宽度和间隙下能驱动的最大和最小液滴的体积以及液滴的移动速度,测试结果表明:最小可驱动1μL的液滴。然后研究了自供电微流控系统利用介电电泳分裂液滴的性能,并分析了电极的宽度和间隙对能分裂的最大和最小液滴体积的影响。随着电极宽度和间隙的增加,能分裂的液滴体积逐渐增大。当电极宽度为6.5 mm,电极间隙为9.5 mm时,微流控系统最大可分裂400μL的液滴。最后分析了摩擦纳米发电机和分流开关的转速以及微流控芯片的电极形状和电极数量对微流控系统混合效率的影响,通过测量带有酚酞的KOH溶液的液滴和H2SO4溶液的液滴反应至无色的时间分析混合效率,通过自供电微流控系统进行混和最短只需要46 s,与被动混合相比,混合时间可缩短6.3倍。3、展示了自供电微流控系统在化学分析中的应用。首先驱动Na OH溶液的液滴移动,与酚酞溶液的液滴合并,并发生显色反应,液滴变为红色。然后展示了在没有外部电源的情况下,通过手摇摩擦纳米发电机控制液滴在环形电极轨道上移动,通过液滴运输化学药品并发生化学反应。