橢球形單顆粒介電電泳捕捉的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、介電電泳微流控芯片是在微米尺度結(jié)構(gòu)中對(duì)微量液體樣品進(jìn)行操作的平臺(tái)。此平臺(tái)具有微型化、集成化、智能化、高效率、高分辨率、低污染等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物和分析化學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)并得到了廣泛應(yīng)用。目前,介電電泳微流控芯片所操作的非球形顆粒大都簡(jiǎn)化為球形顆粒進(jìn)行研究,這樣就不能真實(shí)地表達(dá)其介電電泳特性,而且很多圓柱形顆粒都可歸結(jié)為橢球形顆粒,因此選擇橢球形顆粒為非球形顆粒的典型代表進(jìn)行研究。
　　首先,針對(duì)微流控芯片中的微

2、流動(dòng)和介電電泳現(xiàn)象,對(duì)介電電泳微流控芯片捕捉橢球形顆粒的捕捉機(jī)理進(jìn)行了研究。在偶極距理論的基礎(chǔ)上通過引入橢球形顆粒的退極化因子推導(dǎo)出了橢球形顆粒介電電泳力和介電電泳力矩的表達(dá)式,并對(duì)典型橢球形顆粒的介電電泳力和介電電泳力矩做了推導(dǎo);分析計(jì)算了橢球形顆粒在微流道中所受的各個(gè)力,通過比較各力對(duì)橢球形顆粒運(yùn)動(dòng)的影響,得到本文研究的DEP力和Stokes力;進(jìn)而在對(duì)捕捉機(jī)理的分析后,提出了用于穩(wěn)定捕捉橢球形顆粒的方案,為仿真和實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)

3、。
　　其次,設(shè)計(jì)了捕捉橢球形顆粒的介電電泳微流控芯片,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對(duì)芯片進(jìn)行了數(shù)值仿真,得到芯片內(nèi)部電勢(shì)、場(chǎng)強(qiáng)、介電電泳力、流場(chǎng)流速的分布情況;最后基于軟件的后處理模塊,仿真了顆粒的捕捉情況,得到了不同電壓和流速相互作用下顆粒的捕捉情況。
　　再次,利用MEMS工藝加工了介電電泳微流控芯片和橢球形顆粒。以ITO玻璃為基片通過刻蝕法加工出微電極;以SU8-2100、PDMS作為材料

4、,以硅片為基底制作芯片微通道;最后利用氧離子濺射在電子顯微鏡平臺(tái)上將通道內(nèi)微柱和和電極位置對(duì)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)電極和通道的鍵合,從而加工出微流控芯片。
　　最后,搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括電源控制系統(tǒng)和流體控制系統(tǒng)。利用微流控芯片和橢球形顆粒進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)行了脈沖型介電電泳捕捉橢球形顆粒的相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了脈沖型介電電泳捕捉橢球形顆粒的機(jī)理。通過調(diào)整流速和電壓的相對(duì)大小可實(shí)現(xiàn)對(duì)橢球形單顆粒的穩(wěn)定捕捉。
　　本文采用理論分析、數(shù)值仿真和