介电泳和介电润湿技术装置的设计与应用

摘要

微机电系统(MEMS)加工技术的发展促进了微流控技术(Microfluidics)的广泛发展。微流控芯片(Microfluidics chips)又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)或微全分析系统(μ-TAS)，是指将样品制备、反应、分离、检测等各个功能部件集成在一块几平方厘米上的芯片上。微流控芯片之所以受到广泛关注，是与其本身的固有优点相关。微流控芯片将宏观实验室的各个功能微缩到了一个芯片上，大大减少了样品和试剂的消耗量，并且可以与多种样品的处理过程相耦合;芯片的使用操作不需要专业的操作人员以及实验环境，大大扩展了使用范围;分析速度快、信息量巨大以及制作成本低廉;可自动化、并行化操作，全分析系统集成等。
　　 微流控芯片可分为连续微流体式芯片和数字式微流控芯片，而介电润湿与介电泳是数字微流控技术中两种重要的液滴操控技术。介电润湿（Electrowetting-on-dielectric，EWOD）是指在介质层下的微电极阵列上施加电势，改变介质层与表面液滴的表面能，进而改变介质层与液滴的三相接触角，造成液滴两端的非对称性变形，使液滴内部产生压强差，实现对液滴的操作与控制。介电泳（Dielectrophoresis，DEP）是指介电质微粒在非均匀电场中因极化效应而引起移动的现象。
　　 本文基于介电润湿与介电泳技术，设计了两种微流控芯片，对不同材料的液滴成功的进行了驱动、融合等操作，并基于介电泳技术对偏心双重乳液进行了初步的调心探索，提高了双重乳液的同心度。主要内容如下:
　　 1)设计了一套调压调频电路，可利用数字信号发生器或单片机电路模块产生控制信号，进而通过端口扩展电路将串行信号扩展为多路并行信号，控制电路模块可将直流高压转换成交频高压，作为驱动电压;
　　 2)研究与设计了介电润湿(EWOD)数字微流控芯片，通过施加外部交频电压，改变液滴与芯片界面的表面势能，进而改变液滴与芯片的接触角，实现驱动液滴移动、融合等操作;
　　 3)研究与设计了介电泳(DEP)微流控芯片，通过施加高频高压，产生非均匀高频强电场，使被驱动液滴极化，在非均匀电场中实现液滴的移动、融合等操作;
　　 4)初步探索设计基于介电泳力的调心装置，符合一定条件时，偏心双重乳液的囊芯相会在高频强磁场中发生移动，提高了双重乳液的同心度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 ICF的发展

1．1．2 靶丸的研究进展

1．2 微全分析系统与微流控技术

1．2．1 微流控芯片的发展状况

1．2．2 微流控芯片的分类

1．2．3 微流控芯片的优点与局限性

1．2．4 数字微流控芯片

1．3 本论文的研究目的与内容

参考文献

第二章 介电润湿微流控芯片

2．1 介质上电润湿效应

2．1．1 电润湿

2．1．2 介质上电润湿

2．1．3 Lippmann-Young方程

2．1．4 介电润湿的应用

2．1．5 实验原料及仪器

2．2 自动控制系统

2．2．1 单片机电路模块

2．2．2 单片机控制程序

2．2．3 端口扩展电路

2．3 微电极设计与制备

2．3．1 微电极的图案设计

2．3．2 光刻制备微电极阵列

2．3．3 绝缘层SiO2的制备

2．3．4 Teflon AF超疏水层的制备

2．3．5 介电润湿微流控系统的液滴驱动

2．4 本章小结

参考文献

第三章 介电泳微流控芯片

3．1 介电泳的原理及其研究发展

3．1．1 介电泳技术的研究及发展状况

3．1．2 介电泳基本原理

3．2 介电泳芯片

3．2．1 实验原料及仪器

3．2．2 芯片驱动电路

3．2．3 芯片设计

3．3 介电泳微流控芯片液滴控制实验

3．3．1 介电泳微流控系统

3．3．2 单液滴驱动实验

3．3．3 多液滴驱动实验

3．4 本章小结

参考文献

第四章 介电泳调整双重乳液同心度

4．1 前言

4．2 双重乳液材料选择

4．3 调心装置设计

4．3．1 支持板模型

4．3．2 密度梯度模型

4．3．3 非均匀电场模型

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录

致谢

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