生物芯片微通道周期性电渗流特性研究

摘要

电渗流是生物芯片中广泛应用的微流体驱动与控制技术。交变电场作用下的周期性电渗流，可以提高生物芯片微通道内样本液体与试剂溶液的混合效率。本文对微通道周期性电渗流进行系统研究。 目前已见报道的周期性电渗流研究，往往把双电层内外区域的流动分开求解，而忽略双电层内流体的惯性力。与之不同，本文从双电层的Poisson-Boltzmann 方程和流体运动的Navier-Stokes 方程出发，对双电层内外区域统一进行求解，求解过程保留所有的惯性力项。 对于二维均匀微通道周期电渗流，本文通过求解无量纲流动方程，得到适合于任意雷诺数的解析解，并由之得到低雷诺数下的渐近解。作为比较，本文还给出了相应的差分解，两者结果一致，这也验证了该解析解的合理性。对于三维矩形截面微通道周期电渗流，本文采用有限元－迭代法进行了求解。 研究结果表明，周期电渗流速度大小不但与双电层特性和外电场强度有关, 而且与流动雷诺数密切相关。在低雷诺数时，周期电渗流速度振幅与定常电渗流速度相同，并具有柱栓式的速度分布形态；在大雷诺数时，双电层以外区域电渗流速度随离开边壁距离快速衰减，而且在微通道横截面上流动速度有明显相位差，呈现波浪状或碗状速度剖面, 剖面形态随时间周期变化。双电层滑移速度和通道周期流量的幅值随雷诺数增加而下降。周期电渗流的这种速度分布特征，有利于微通道内物质的扩散，可以提高生物芯片的液体混合效率。 本文还对非线性流动和双电层耦合的动电现象进行了说明，并给出了控制方程，希望能对后续的研究有所帮助。