微米级颗粒电阻脉冲检测机理研究

摘要

基于微流控芯片的颗粒电阻脉冲检测技术(RPS)，具有结构简单、检测快速、灵敏度高、成本低等突出特点，利于开发成为面向海洋污染物现场快速检测的便携式仪器。随着微通道结构以及待测颗粒形状的多样化，现有的相关理论无法对一些新的实验现象给出合理的解释。对相关科学问题进行深入研究，可以完善电阻脉冲检测理论，同时对拓展该技术的应用也具有重要意义。
　　本文采用实验和数值模拟两种方法，研究了导电颗粒、颗粒和通道形状对电阻脉冲检测信号幅值的影响规律和机理。具体来看，主要有如下三部分内容:
　　(1)实验研究了直径均为5μm的球形聚苯乙烯颗粒和磁珠(表面涂覆Fe3O4)在相同条件下，经过RPS检测区时产生的信号幅值随外加电压的变化情况。实验结果表明:相同条件下，直径为5μm的磁珠经过差分RPS检测微流控芯片时，所产生的信号幅值明显高于直径5μm的聚苯乙烯颗粒所产生的信号幅值。这主要是由于磁珠在电场诱导下表面双电层变厚造成的。
　　(2)数值模拟研究了体积相同但形状不同的椭球颗粒在相同条件下沿通道中心线经过相同RPS检测通道时，所产生的RPS信号幅值随颗粒形状的变化关系。模拟结果表明:颗粒形状和方向角度对RPS检测有重要影响。椭球颗粒所产生的RPS信号幅值随椭球颗粒赤道半轴与极半轴之比的增大而增大;扁长形椭球颗粒所产生的RPS信号幅值随椭球颗粒方向角度的增大而增大;扁圆形椭球颗粒所产生的RPS信号幅值随椭球颗粒方向角度的增大而减小。
　　(3)数值模拟研究了相同球形绝缘颗粒在相同条件下沿通道中心线经过体积相同但截面形状不同的RPS检测通道时，所产生的RPS信号幅值之间的变化关系。模拟结果表明:通道形状对RPS检测有重要影响。在通道的长度、截面面积和外加直流电压都相同的情况下，相同球形绝缘颗粒沿通道中心线经过RPS检测通道时，所产生的RPS信号幅值随检测通道高宽比的增大而增大。
　　本文的研究丰富了颗粒电阻脉冲检测理论，并且对于拓宽该技术的实际应用具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 颗粒计数及其应用需求

1．1．2 颗粒计数技术

1．2 颗粒电阻脉冲检测技术

1．2．1 检测原理

1．2．2 相关应用研究进展

1．2．3 相关理论研究进展

1．2．4 现有理论存在的不足

1．3 本文研究内容

第2章 导电颗粒对电阻脉冲检测的影响

2．1 引言

2．2 颗粒差分RPS检测原理

2．3 实验

2．3．1 实验系统

2．3．2 差分RPS微流控芯片

2．3．3 颗粒样品及加注方式

2．3．4 实验步骤

2．4 结果与讨论

2．5 本章小结

第3章 颗粒形状对电阻脉冲检测的影响

3．1 引言

3．2 微通道及数学模型

3．2．1 微通道结构和颗粒

3．2．2 电场和电流

3．2．3 数值模拟

3．3 结果与讨论

3．3．1 颗粒形状的影响

3．3．2 扁长形颗粒方向角度的影响

3．3．3 扁圆形颗粒方向角度的影响

3．4 本章小结

第4章 通道形状对电阻脉冲检测的影响

4．1 引言

4．2 微通道及数学模型

4．2．1 微通道结构和颗粒

4．2．2 数学模型

4．2．3 数值模拟

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

授权的发明专利

致谢

作者简介