基于行波介电泳力的微粒子操控机理分析与实验研究

摘要

以行波介电泳基本原理为基础，对微纳粒子操控技术的机理与实验进行了研究。课题隶属于芯片实验室（Lab-On-Chips，LOC）的范畴，广义上，属于微机械电子系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)的范畴。
　　微流体中病原菌或生物细胞等微钠粒子的操控，是MEMS领域的一项重要课题，它在生物、化学以及军事科技等领域均具有重要的应用背景。行波介电泳技术（twDEP,traveling-wave dielectrophoresis）是一门新兴的技术，在粒子的收集与分离等方面具有明显的优点，即：将传统介电泳和行波介电泳两种操控方式进行集成，与传统介电泳（DEP，dielectrophoresis）相比，行波介电泳无需额外的流体驱动设备，原理上可分离多种粒子、能够实现实时检测、并且容易与微芯片集成等。因此，行波介电泳技术成为基于电场机制的微纳粒子操作中的一项比较热门的技术。
　　本文首先综述了基于行波介电泳力的微粒子操控相关技术的国内外研究现状，然后分析了其基本机理，研究分析了介电泳力的基本公式以及影响行波介电泳力的主要因素，计算了行波介电泳力的提升高度，并推导了行波介电泳力作用下微粒子的运动速度公式。
　　以理论分析为基础，建立了微通道物理模型，应用COMSOL软件，建立了数学模型，设置了边界条件，求解Laplace方程，分别对电势、电场等进行仿真分析，模拟了粒子的提升力和水平驱动力的方向、大小，并且详细分析了电压、频率、溶液和粒子的导电率、介电常数、粒子的尺寸等因素对于行波介电泳微纳粒子操控技术的影响。
　　设计并委托加工了行波介电泳芯片，以该芯片为基础，完成了基于行波介电泳的微纳粒子定向驱动与控制实验；将实验现象与仿真结果及理论研究进行了对比分析，进一步验证了理论研究以及仿真分析的正确性；通过改变实验参数，详细分析了电压、频率等对行波介电泳微纳粒子操控的影响，为后续研究工作奠定了基础。论文理论研究与实验相结合，利用阵列电极结构实现了对微粒子的提升和定向驱动实验，验证了行波介电泳进行微纳粒子驱动的机理，并且通过改变相应参数对粒子的速度进行了分析。
　　本文的研究为以后基于行波介电泳技术的研究提供了理论支持和实验依据。

目录

基于行波介电泳力的微粒子操控机理分析与实验研究

THEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF MICROPARTICLES MANIPULATION BASED ON TWAVEING-WAVE DIELECTROPHORESIS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的主要内容

第2章 行波介电泳的机理分析

2.1 静电学相关理论与概念

2.2 行波介电泳

2.3 有效极化率的影响因素

2.4 粒子提升高度公式推导

2.5 粒子水平速度公式推导

2.6 行波介电泳的其他影响因素

2.7 本章小结

第3章 行波介电泳的数值仿真

3.1 仿真模型的建立

3.2 行波介电泳表达式的设置

3.3 微通道内粒子受行波介电泳驱动的仿真分析

3.4 行波介电泳影响因素的仿真分析

3.5 本章小结

第4章 行波介电泳的实验研究

4.1 行波介电泳实验

4.2 实验结果及分析

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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