微流控系统中电致对流机理分析及实验研究

论文摘要

微流控芯片系统是随着微机电系统（MEMS）的发展而快速崛起的一项高新技术,它是将样品制备、生化反应、分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种多学科交叉技术。微流体驱动技术是微流控芯片系统的最重要组成部分,它能有效实现微小体积流体的精确操控以及微系统的动力供给、样品输送等目的,因此对其进行研究具有重要意义。以电场机制为基础的微流体驱动研究中,由于系统中不同位置离子浓度差异导致的微流体流动现象称为电致对流。该因素对微流控芯片系统研究中的实验结果具有很大影响,本文以此为出发点,深入探究电致对流现象的机理,并对其有效利用展开研究。论文综述了微流体驱动技术的国内外研究现状,以直流电渗和交流电渗微流体驱动机理依据,以电化学反应的基本原理为基础,揭示了电致对流流体流动的机理,并对传统微流体驱动中不能解释的反向等现象进行了合理分析,研究了不同参数对电致对流的影响,预估了不同条件下的电致对流实验现象。以电致对流的理论分析为基础,建立了电致对流芯片系统的二维仿真模型,进行了相关控制方程以及边界条件的设置,通过求解电荷守恒方程、对流-扩散方程以及Navier-Stokes方程,分别对电致对流芯片系统中的电场、浓度场以及流场进行了仿真分析,为实验研究提供了仿真依据。电化学反应是微腔中产生电致对流的基础,电流密度实验是检测溶液中电化学反应发生的一种最有效方法。电化学反应的发生导致着溶液中PH值的变化,本文利用荧光素检测溶液的PH分布,为本文电致对流机理的研究提供实验依据。利用电致对流进行粒子收集是一种全新方法,以直径分别为0.5μm和3μm的聚苯乙烯微球为实验研究对象,在直流电场的作用下进行粒子的快速收集实验。这种粒子收集方式结构简单,收集速度快,尤其对直径为几个微米的粒子具有较好的收集效果。分析电致对流中流体的流速是研究电致对流的关键,利用荧光显微镜观察电致对流流体流动现象,并测量不同参数情况下的电致对流流速大小。将实验结果与仿真分析结果进行比较,验证仿真分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 直流电渗微流体驱动
• 1.2.2 交流电渗与交流电热微流体驱动
• 1.2.3 反向问题的提出
• 1.2.4 电致对流研究
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 电致对流的机理研究
• 2.1 双电层理论
• 2.1.1 双电层形成机理
• 2.1.2 双电层电势分布计算
• 2.2 电渗微流体驱动机理研究
• 2.2.1 直流电渗微流体驱动
• 2.2.2 电极极化理论交流电渗流体驱动
• 2.3 电化学反应机理
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 电化学反应致流场分布
• 2.4 电致对流流体流动机理
• 2.4.1 电致对流的基本原理
• 2.4.2 电致对流对反向现象的解释
• 2.5 本章小结
• 第3章 电致对流的仿真研究
• 3.1 电致对流仿真模型的建立
• 3.2 二维仿真分析
• 3.2.1 相关控制方程及边界条件设置
• 3.2.2 二维仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 电致对流的实验研究
• 4.1 实验设备及准备
• 4.1.1 芯片材料的选择与制作
• 4.1.2 实验条件及实验准备
• 4.2 电致对流中关于电流密度实验
• 4.2.1 实验步骤
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 电致对流的粒子收集实验
• 4.3.1 实验步骤
• 4.3.2 实验结果及分析
• 4.4 电致对流的流速对比实验
• 4.4.1 实验步骤
• 4.4.2 实验数据处理
• 4.4.3 实验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢