基于交流动电效应的微流体和微粒子输运数值模拟研究

摘要

微流控芯片，也叫作芯片实验室，借助MEMS技术加工制作微通道网格，在微纳米尺度空间对流体和微纳米粒子进行驱动和操控，目的是将常规生物化学实验室中的样品进样，样品处理，分离筛选，检测分析等一系列功能集成到几平方厘米甚至更小的芯片上，从而有效地减少样品和试剂消耗，降低反应和分析时间，提高分析效率和通量，具有微型化，集成化，自动化，便携化等特点，在化学、生物、医药、微纳米材料合成等科学技术领域获得广泛应用。为了实现微通道中微流体驱动和微纳米粒子操控，目前已经提出了各种类型的微泵。其中，交流动电微泵，主要包括交流电渗、交流电热和介电电泳效应，通过在微通道中集成微电极对阵列，在电极对上施加低压交变电场，能够驱动微流体流动、混合样品，实现微纳米粒子捕获、分离、聚集、筛选等操控。交流动电微泵具有易集成，没有运动部件，设计加工简单，效率高，抑制电极电解反应、温度变化小等优点，在微流控芯片的发展中具有极大的应用潜力。 为了进一步提高交流电渗微泵的驱动流速，增强样品混合，本文利用数值计算研究了圆柱微通道中基于非对称圆环电极对阵列的交流电渗微泵同时驱动和混合性能。交流电渗效应产生的机制是非均匀交变电场与电极表面双电层内的离子相互作用的结果。根据平面电极交流电渗微泵线性泊松-玻尔兹曼理论模型，本文提出了圆环电极表面双电层的等效空心圆柱电容器模型，得到电极表面的电荷守恒连续性方程和电渗滑移速度边界条件，联立电场和流场方程，建立三维圆环电极交流电渗微泵的线性泊松-玻尔兹曼模型。对于稀释强电解质溶液，利用Kohlrausch经验关系式建立电解液浓度和电导率之间的函数关系，研究电极表面双电层等效电容、阻抗比例因子等随电解液浓度的变化关系。本文分析讨论了外加电场交变频率，电解液浓度，电极几何结构等对圆环电极交流电渗微泵驱动流速的影响，并且得到了流速最大时的最优几何结构。数值计算结果表明，相比于平面电极，圆环电极交流电渗微泵能进一步增强驱动流速，这与实验结果基本一致。在微通道中交流电渗流总是伴随着电极表面涡旋的产生，利用涡旋可以实现样品混合。根据建立的三维圆环电极交流电渗微泵理论模型，联立浓度场的对流-扩散方程，本文进一步研究了微泵对样品的混合性能。研究发现，当采用内外圆管入口方式时，圆环电极交流电渗微泵能够改善样品混合效率。这是由于内外圆管中两种不同浓度的样品在涡旋作用下，能够在外部圆管区域和内部圆管区域之间进行交换，增强混合效率。对交流电渗流速度场，涡度场和浓度场的分析，合理地解释了混合机制。为了进一步增强微泵的混合效率，本文设计了不同圆环电极对的组合序列。本文数值研究表明，圆环电极交流电渗微泵，采用内外圆管入口方式，能够快速地驱动稀释电解液流体流动，同时对样品实现高效地混合。 为了能够利用交流电热效应驱动高电导率流体，同时增强样品混合，本文数值研究了基于圆柱微通道内嵌非对称螺旋电极对的交流电热微泵的同时驱动和混合性能，适用于生物流体应用。交流电热效应的机制是在非均匀交变电场作用下，微流体中产生焦耳热，由于温度梯度导致电解液的电导率和介电常数梯度产生，在流体中出现了空间局部自由电荷，在非均匀交变电场力作用下自由电荷运动带动周围粘性流体流动的结果。交流电热流也伴随着电极表面涡旋的产生，能够增强样品混合。本文建立了基于小的温度梯度近似假设下的电场-温度场-流场弱耦合交流电热理论模型，并联立浓度场的对流-扩散方程，数值研究螺旋电极交流电热微泵的同时驱动和混合机制及其影响因素。研究表明，螺旋电极交流电热微泵诱导产生的涡旋，沿着螺旋电极表面在微通道中呈现螺旋分布，其中心轴线沿电极长度方向，与微通道方程呈现一定的倾斜，从而在两方面影响流体流动：一是在微通道长度方向驱动流体流动，另一个是搅拌流体增强样品混合。不同的电极-间隔几何比例或螺旋电极倾斜角能够控制微泵的驱动和混合相对强度，并且得到了流速和混合效率都较大时的最优几何结构。本文数值研究表明，螺旋电极交流电热微泵能够快速地驱动高电导率流体流动，同时增强样品混合效率。 根据所建立的交流电渗和交流电热理论模型，本文数值研究了圆柱微通道中基于非对称圆环电极对阵列的交流动电微泵，结合交流电渗和介电电泳效应，以及交流电热和介电电泳效应，分别实现对微粒子的同时输运和聚集。介电电泳是非均匀交变电场与极化粒子相互作用导致的粒子运动现象。对于微流体中的粒子运动，本文分别采用牛顿运动方程研究单个粒子的运动，以及Fokker-Planck方程研究多粒子浓度（概率密度）分布。数值结果表明，基于圆柱微通道中圆环电极的交流电渗和负介电电泳效应相结合，以及交流电热和负介电电泳相结合，能够快速地驱动粒子在微通道中运动，同时在微通道中心轴附近区域聚集粒子。作用机制是，微粒子在交流电渗流或是交流电热流拖曳下随流体流动，在电极边界处，负介电电泳力远大于交流电渗或交流电热Stokes拖曳力，排斥粒子远离电极表面；而在电极中心处，虽然负介电电泳力很小，但是交流电渗流或交流电热流能够拖动粒子远离电极表面。外加交变信号，粒子大小和密度，粒子和流体的电导率和介电常数，电极几何结构等都将影响圆环电极交流动电微泵对粒子的输运和聚集。本文数值模拟研究表明，圆柱微通道中基于圆环电极的交流动电微泵能够快速地驱动微流体流动，同时高效地混合样品，并且能够对微粒子进行同时输运和聚集，适用于生物化学应用中，对微流控芯片的发展具有重要意义。

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摘 要

Abstract

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1 绪论

1.1 选题背景

1.2 交流动电效应在微流控芯片中的研究现状

1.2.1 微电极对阵列结构

1.2.2 交流电渗

1.2.3 交流电热

1.2.4 介电电泳和微纳米粒子操控

1.3 微流体动电理论研究的主要特点

1.4 问题提出及主要内容

2 基于非对称圆环电极对阵列的交流电渗微泵同时驱动和混合的数值研究

2.1 引言

2.2 交流电渗效应产生机制

2.2.1 双电层的产生

2.2.2 交流电渗效应产生机制

2.2.3 平面电极表面双电层的电势分布及其等效电容

2.2.4 电极表面电流守恒方程

2.2.5 电极表面电渗滑移速度

2.3 圆环电极交流电渗微泵理论模型

2.3.1 几何模型

2.3.2 等效空心圆柱电容

2.3.3 线性泊松-玻尔兹曼模型

2.3.4 浓度场的对流-扩散方程

2.4 数值计算

2.4.1 参数

2.4.2 模型验证

2.5 结果与分析

2.5.1 电极表面电渗滑移速度分布

2.5.2 流场分布

2.5.3 流速模拟与实验结果对比

2.5.4 驱动流速的影响因素

2.5.5 浓度场的分布

2.5.6 涡度场的分布

2.5.7 混合效率的影响因素

2.5.8 PnMm电极设计

2.6 本章小结

3 基于非对称螺旋电极对的交流电热微泵同时驱动和混合的数值研究

3.1 引言

3.2 螺旋电极交流电热微泵理论模型

3.2.1 几何模型

3.2.2 交流电热理论

3.2.3 浓度场的对流-扩散方程

3.3 数值计算

3.3.1 边界条件和参数

3.3.2 收敛性和可靠性分析

3.4 结果与分析

3.4.1 电势和温度场分布

3.4.2 速度场分布

3.4.3 混合浓度分布

3.4.4 涡旋场分布及同时驱动和混合机制的解释

3.4.5 几何参数和螺旋倾角的影响

3.4.6 交变频率的影响

3.5 本章小结

4 基于非对称圆环电极对阵列的交流动电微泵对微粒子同时输运和聚集的数值研究

4.1 引言

4.2 圆环电极交流动电技术对微纳米粒子的输运和聚集的理论模型

4.2.1 几何模型

4.2.2 介电电泳力及对各种作用力

4.2.3 粒子运动方程

4.3 数值计算

4.3.1 圆环电极ACEO和DEP微泵的边界条件和参数

4.3.2 圆环电极ACET和DEP微泵的边界条件和参数

4.4 结果与分析

4.4.1 结合交流电渗和负介电电泳效应对微粒子同时驱动和聚集

4.4.2 结合交流电热和负介电电泳效应对微纳米粒子同时输运和聚集

4.4.3 粒子半径对各个作用力大小的影响

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

个人简历

致谢