流道结构诱导的绝缘介电泳分离微尺度粒子研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yudsly2002
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微流控技术以其微型化、可集成化、便携化及成本低廉等特点而成为可应用于机械、生物医学、化学工程等多个领域的崭新技术。对溶液中微纳米级别颗粒的可控操纵则是微流控中复杂流体介质研究的一项核心内容。微流控粒子操控方法通常有流体动力学分离、超声分离、磁场聚集、光镊驱动以及介电泳操控等,其中介电泳技术是有望实现微流控芯片的便携化及可集成化的最有效手段之一。传统介电泳技术通常采用在硅基底或玻璃表面加工电极对粒子进行操控的方式,但对具有生物活性的粒子而言,与电极的直接接触会导致生物粒子被瞬间击穿而丧失活性,同时也会污染电极。鉴于此,本论文拟利用结构诱导的介电泳对颗粒进行非接触式的分离或者聚集操控,为介电泳操纵活性生物粒子提供技术支持。  首先,对介电泳的理论进行研究,推导介电泳速度公式,分析频率、电压、介电特性、粒子大小等因素对介电泳力影响,研究微通道内粒子的运动规律,分析介电泳和流体的综合作用,基于拉格朗日简化模型推导微纳粒子在通道的运动速度和运动轨迹表达式。掌握交流电场对流体运动的影响规律,理论分析介电泳分离粒子的适宜电信号频率及溶液电导率。  其次,仿真分析绝缘介电泳的特点,分析结构对介电泳受力大小以及方向的影响,设计绝缘介电泳聚集和分离微纳粒子的通道结构,仿真分析介电泳作用效果的影响因素,运用粒子追踪方法分析通道内粒子的运动状况。  然后,设计掩膜结构,以针作为电极,加工实验芯片,搭建实验系统,进行两种粒子分离实验,分离直径分别为10μm和3μm以及10μm和25μm的混合粒子,进行不同流速、电压、流速比的实验,最后进行镀金球与不镀金球的分离实验,实验研究两种不同介电泳力性质的粒子分离效果。  最后,设计三种粒子分离的通道结构,以针灸针作为电极,研究电极位置对粒子分离的影响,选取最合理的结构布置,实验研究流速、电压、流速比等因素对分离效果的影响,分析频率对分离的影响,取得了高效快速的粒子分离结果。实验表明,绝缘介电泳适合于微纳粒子的快速分离,因此论文研究成果有广阔的应用前景。
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