基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究

摘要

基于介电湿润效应的数字微流控技术是近年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术,该技术可实现液滴的分配、液滴的分离与合并、液滴的输运四项基本操控,具有试剂消耗量少、试剂分析耗时短、设备体积小等特点,因此在生物、化学、光学透镜等领域得到了非常广泛的应用。本文针对目前微量液滴操作的迫切需求,从介电湿润驱动机理分析入手,开展微量液滴驱动理论研究,通过建立模型与数值仿真分析液滴受力、分析实现低电压驱动微流控芯片的实现方法,最后通过实验分别验证了低电压驱动芯片降低驱动电压的效果及基于液滴位置检测系统保证液滴连续运动的效果。
　　首先,介绍电毛细管现象、电湿润现象和介电湿润的原理;然后研究固液接触面表面束缚电荷作用机理。利用仿真软件COMSOL Multiphysics4.3对“介电湿润芯片—液滴”系统中的电场,压力场和流场进行了数值仿真,数值仿真结果表明电场形成后在固液接触面上的正负离子、分子相互吸引产生静电力,使液滴表面张力发生改变,液滴左右两侧不对称的张力改变使液滴内部产生流体静力学压力,液滴在流体静力学压力的作用下产生运动。运用“三自由体表示”法描述了液滴从静止到实现运动的过程。
　　其次,根据能量最小化原理针对液滴在一个运动周期中不同阶段的受力进行了推导,通过数值仿真得到了一个运动周期中不同阶段的受力情况,仿真结果表明驱动电极在垂直于液滴运动方向上的长度越大液滴所受到的介电驱动力也就越大,该仿真结果有助于对介电湿润芯片进行优化。然后采用不同参数对液滴的受力进行仿真,并行了对比分析,发现提高驱动电压能获得较大的介电驱动力。并根据液滴所受驱动力与阻力建立了液滴的动能方程,数值仿真了液滴所受各个阻力,得到液滴所受介电驱动力相同情况下可以通过降低三相接触线摩擦力和极板剪切力的方法对介电湿润芯片进行优化设计。
　　然后,以降低介电湿润芯片驱动电压为目的,对芯片进行了优化设计,设计了悬空零电极结构的介电湿润芯片,数值仿真结果表明悬空零电极结构能降低液滴运动时受到的三相接触线摩擦力和极板剪切力。对比传统的方形和叉齿形驱动电极,设计了半月形驱动电极,数值仿真结果表明三种驱动电极结构(四种布局)中半月形的驱动电极上液滴的受力达到最大值时所需时间最短,而且液滴在被成功驱动前,同一驱动电压下的液滴发生局部运动的部分较大,因此,半月形驱动电极的介电湿润芯片不但能以较低的驱动电压驱动液滴,而且同等大小的驱动电压下液滴的运动速度最大。然后根据液滴分离的原理分析了不同电极形状及布局对液滴分离的影响,得到相对布局的半月形驱动电极有利于液滴的分离。
　　最后,悬空零电极结构的介电湿润芯片实验结果表明悬空零电极的结构设计能提高液滴运动速度,能相对降低芯片驱动电压。对比传统的方形和叉齿形驱动电极实验结果表明本文设计的半月形驱动电极具有降低芯片驱动电压的效果,同时液滴运动的连续性得到了提高。相对于方形和叉齿形驱动电极,实验结果表明相对布局的半月形驱动电极分离液滴的效率最高,液滴分离时的驱动电压最低。根据检测“介电湿润芯片—液滴”系统等效电容的办法对液滴的位置进行实时检测,实验结果表明当液滴运动发生中断时能够对液滴的位置进行实时反馈,保证了液滴的连续运动。
　　本课题涉及多学科交叉研究与应用,文中所使用的理论、方法及得到的结论对进一步深入研究和设计基于介电湿润效应的数字微流控芯片具有一定的启发和指导意义。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外基于介电湿润效应的数字微流控技术研究现状

1.3基于介电湿润效应的数字微流控芯片的应用

1.4本文的研究内容

第2章 基于介电湿润效应的液滴驱动机理

2.1引言

2.2电毛细管现象和电湿润现象

2.3介电湿润的基本理论

2.4固液接触面表面束缚电荷作用机理研究

2.5“介电湿润芯片—液滴”系统电场数值仿真研究

2.6流体静力学压力数值仿真研究

2.7本章小结

第3章 “芯片—液滴”系统力学建模与数值仿真研究

3.1引言

3.2液滴所受介电驱动力建模

3.3液滴所受阻力建模与数值仿真研究

3.4本章小结

第4章 低驱动电压介电湿润芯片的设计

4.1引言

4.2降低介电湿润芯片驱动电压方法的研究

4.3悬空零电极介电湿润芯片的设计

4.4半月形驱动电极介电湿润芯片的设计

4.5不同驱动电极形状与布局对液滴分离影响的研究

4.6本章小结

第5章 微液滴操控实验研究

5.1引言

5.2实验系统建立

5.3悬空零电极介电湿润芯片微液滴操控实验及讨论

5.4半月形驱动电极介电湿润芯片液滴操控实验及讨论

5.5不同电极形状介电湿润芯片分离微液滴实验及讨论

5.6微液滴运动位置检测的原理与实现

5.7本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6.1总结与创新

6.2展望

攻读学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢