椭球形单颗粒介电电泳捕捉的数值仿真和实验研究

摘要

介电电泳微流控芯片是在微米尺度结构中对微量液体样品进行操作的平台。此平台具有微型化、集成化、智能化、高效率、高分辨率、低污染等优点,在医学研究、环境监测、生物和分析化学等领域表现出巨大优势并得到了广泛应用。目前,介电电泳微流控芯片所操作的非球形颗粒大都简化为球形颗粒进行研究,这样就不能真实地表达其介电电泳特性,而且很多圆柱形颗粒都可归结为椭球形颗粒,因此选择椭球形颗粒为非球形颗粒的典型代表进行研究。
　　首先,针对微流控芯片中的微流动和介电电泳现象,对介电电泳微流控芯片捕捉椭球形颗粒的捕捉机理进行了研究。在偶极距理论的基础上通过引入椭球形颗粒的退极化因子推导出了椭球形颗粒介电电泳力和介电电泳力矩的表达式,并对典型椭球形颗粒的介电电泳力和介电电泳力矩做了推导;分析计算了椭球形颗粒在微流道中所受的各个力,通过比较各力对椭球形颗粒运动的影响,得到本文研究的DEP力和Stokes力;进而在对捕捉机理的分析后,提出了用于稳定捕捉椭球形颗粒的方案,为仿真和实验提供了理论依据。
　　其次,设计了捕捉椭球形颗粒的介电电泳微流控芯片,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对芯片进行了数值仿真,得到芯片内部电势、场强、介电电泳力、流场流速的分布情况;最后基于软件的后处理模块,仿真了颗粒的捕捉情况,得到了不同电压和流速相互作用下颗粒的捕捉情况。
　　再次,利用MEMS工艺加工了介电电泳微流控芯片和椭球形颗粒。以ITO玻璃为基片通过刻蚀法加工出微电极;以SU8-2100、PDMS作为材料,以硅片为基底制作芯片微通道;最后利用氧离子溅射在电子显微镜平台上将通道内微柱和和电极位置对准,实现电极和通道的键合,从而加工出微流控芯片。
　　最后,搭建了实验系统,包括电源控制系统和流体控制系统。利用微流控芯片和椭球形颗粒进行了相关实验研究,进行了脉冲型介电电泳捕捉椭球形颗粒的相关实验,验证了脉冲型介电电泳捕捉椭球形颗粒的机理。通过调整流速和电压的相对大小可实现对椭球形单颗粒的稳定捕捉。
　　本文采用理论分析、数值仿真和实验相结合的方法,完成了脉冲介电电泳力捕捉椭球形颗粒的实验,不仅完善了介电电泳理论和异性微颗粒的加工方法,拓展了脉冲介电电泳捕捉颗粒的应用范围,而且为进一步研究介电电泳捕捉异性颗粒奠定了理论和实验基础。

目录

椭球形单颗粒介电电泳捕捉的数值仿真和实验研究

EXPERIMENT RESEARCH AND SIMULATION ON SINGLE ELLIPSOID PARTICLE USING DIELECTROPHORESIS

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 非球形颗粒的应用

1.2.2 非球形颗粒的制备方法

1.2.3 单颗粒捕捉现状

1.3 主要研究内容

第2章 介电电泳捕捉椭球形颗粒的理论基础

2.1 引言

2.2 微管道中的流体流动

2.2.1 低雷诺数流动

2.2.2 低雷诺数下的圆柱绕流

2.3 介电电泳理论

2.3.1 偶极矩理论

2.3.2 交变电场中夊介电系数

2.3.3 椭球形颗粒介电电泳力

2.3.4 椭球形颗粒的介电电泳力矩

2.4 椭球形颗粒的介电电泳力分析

2.4.1 介电电泳力与电场频率

2.4.2 介电电泳力泳力矩与电场频率

2.4.3 介电电泳力与电极形状

2.5 椭球颗粒在流道中的受力

2.5.1 介电电泳(DEP)力

2.5.2 斯托克斯(Stokes)力

2.5.3 马格努斯(Magnus)力

2.5.4 其它力

2.5.5 受力分析

2.5.6 力矩分析

2.6 脉冲介电电泳捕捉椭球形颗粒的机理

2.7 本章小结

第3章 捕捉椭球形单颗粒介电电泳微流控芯片的设计与仿真

3.1 引言

3.2 捕捉方案的确定

3.3 芯片几何模型的建立

3.3.1 几何模型

3.3.2 仿真材料物理参数定义

3.4 微通道内Stokes力的仿真

3.4.1 流场仿真方程

3.4.2 流场边界条件设置

3.5 微通道内DEP力的仿真

3.5.1 电势的仿真方程

3.5.2 电场边界条件设置

3.6 网格的生成

3.6.1 网格剖分基本原则

3.6.2 网格质量

3.7 电场与流场的仿真结果与分析

3.7.1微通道内流体流速的分布及分析

3.7.1 芯片内部电场的分布及分析

3.8 椭球形颗粒捕捉过程的仿真

3.8.1 椭球形颗粒速度表达式的设置

3.8.2 捕捉椭球形颗粒的仿真

3.9 椭球形颗粒的力矩分析

3.10 本章小结

第4章 捕捉椭球形单颗粒介电电泳微流控芯片的加工

4.1 引言

4.2 实验材料

4.2.1 非球形颗粒材料

4.2.2 电极材料

4.2.3 微通道材料

4.3 非球形颗粒的制备

4.3.1 非球形颗粒掩膜板的设计原则

4.3.2 非球形颗粒的制备工艺

4.4 微电极设计制作

4.4.1 电极的位置和结构

4.4.2 ITO微电极的制备

4.5 微通道制备

4.5.1微通道主模的制备

4.5.2 PDMS微通道的加工

4.6 PDMS微通道——玻璃微电极键合

4.7 本章小结

第5章 球形及椭球形颗粒的实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统的建立

5.2.1 电源控制系统

5.2.2 流体控制系统

5.2.3 实验溶液的配制

5.3 实验步骤

5.4 实验结果和分析

5.4.1 球形颗粒脉冲介电电泳现象

5.4.2 椭球形颗粒的脉冲介电电泳现象

5.4.3 球形颗粒的捕捉

5.4.4 混合颗粒的捕捉

5.5 本章小结

结 论

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢