介电泳驱动球形粒子的运动速度及其影响因素研究

论文摘要

介电泳是微流控系统中实现粒子操控的最关键技术之一，它可以有效实现微纳米粒子的精确定位、分离、富集、捕捉与输送等。在有关介电泳的基础科学问题研究中，其速度的计算与测量仍是一个瓶颈问题，如何合理分析并利用速度的影响参数，提高介电泳的操控效率，对于微流控中粒子的精确操纵具有重要意义。本文以介电泳驱动球形粒子的运动特性为主要内容，分析了介电泳的作用机理，推导球形粒子介电泳速度公式，并对其影响因素进行分析，得出结构中▽|E|~2的分布是影响速度分布的主要因素的结论。因此，对其流道结构展开了仿真及实验研究，得到粒子速度分布较均匀的流道结构。首先在对目前常用的粒子操纵方法及介电泳速度研究现状进行概述的基础上，揭示了交流电场中介电泳现象产生的机理，推导了介电泳力公式。以聚苯乙烯微球为例，分析球形粒子在介电泳驱动下的受力情况，推导其速度公式，分析其影响因素，给出介电泳速度随溶液电导率、相对介电常数、电压及频率等参数的变化曲线，并得出芯片结构中▽|E|~2的分布是影响粒子速度分布的最主要因素的结论，为后续仿真及实验研究提供理论依据。在基本理论分析的基础上，建立了介电泳的三维静电场仿真模型，设定相应的边界条件，针对目前常用的几种电极结构进行仿真，得到其▽|E|_H~2及速度场分布规律。并以此为依据，以星型电极为基础设计了多种流道结构，进行介电泳速度仿真，得到较为理想的粒子速度控制流道结构。分析了介电泳速度的评价因素，给出速度与电场电压的变化曲线。为验证理论分析及仿真研究的正确性，设计并加工了以双曲线电极为基础的有流道结构和无流道结构的微流控芯片，并进行了介电泳对比实验研究。利用显微镜观察不同参数条件下的介电泳现象，并利用粒子图像测速法测量计算其速度值。通过对实验现象及数据的分析，得到两种结构中介电泳现象的差别以及粒子速度与相关参数的关系曲线。结果表明，本文中的介电泳实验现象与理论及仿真研究具有较好的一致性，验证了所设计流道结构的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微粒操纵技术简介
• 1.2.2 基于介电泳的粒子速度研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 介电泳驱动球形粒子的运动速度研究
• 2.1 介电泳作用机理分析
• 2.1.1 粒子极化理论
• 2.1.2 介电泳作用机理及其受力情况
• 2.2 介电泳驱动球形微粒的速度研究
• 2.2.1 粒子受力分析
• 2.2.2 粒子介电泳速度公式推导
• 2.3 介电泳速度影响因素分析
• 2.3.1 溶液电导率的影响
• 2.3.2 溶液介电常数的影响
• 2.3.3 电场频率的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 速度流道结构设计及仿真
• 3.1 静电场仿真模型的建立
• 3.1.1 几何模型建立
• 3.1.2 电场模型选择
• 3.1.3 仿真模型材料选择
• 3.1.4 模型边界条件设置
• 3.2 仿真参数研究
• 2_H的仿真研究'>3.2.1 ▽|E|²_H的仿真研究
• 3.2.2 介电泳速度的仿真研究
• 3.3 介电泳速度流道结构设计
• 3.3.1 常用电极结构对比分析
• 3.3.2 速度流道结构设计及其仿真分析
• 3.4 新型流道内粒子速度的评价
• 3.5 本章小结
• 第4章 介电泳驱动球形粒子的实验研究
• 4.1 双曲线型电极加工
• 4.2 微流道设计加工
• 4.2.1 流道掩膜设计加工
• 4.2.2 光刻胶流道加工
• 4.3 介电泳实验
• 4.3.1 实验系统搭建
• 4.3.2 介电泳实验步骤
• 4.4 实验数据处理及结果分析
• 4.4.1 有无流道结构的速度分布对比
• 4.4.2 新型流道结构中粒子速度与相关参数的关系
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢