交流電滲粒子收集理論及實驗研究.pdf

1、近年來,為預(yù)防傳染性疾病和生物恐怖襲擊,在水、食物和臨床樣品中的低濃度病原體檢測技術(shù)研究等方面,引起了人們重視。目前有多種技術(shù)用于粒子的控制與收集,其中應(yīng)用最廣泛的是基于電場機(jī)制的方法。生物學(xué)上所關(guān)心的對象都是微米或納米級的粒子,而基于電場機(jī)制的粒子收集與分離方法尤其適合于這樣的微小級粒子,隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)微加工技術(shù)的不斷發(fā)展,使微納米級的微電極與微流體器件集

2、成成為可能。交流電滲(AC EO, Alternating Current Electro-Osmotic)技術(shù)是一門新興技術(shù),它在粒子收集與分離方面具有很多優(yōu)勢,如輸入信號電壓低、不易產(chǎn)生氣泡、所需樣品少、能實現(xiàn)實時檢測、不依賴粒子大小和電場梯度變化,容易與微芯片集成等,因此成為當(dāng)前研究的一個熱門課題。本文詳細(xì)綜述了交流電滲粒子收集的國內(nèi)外研究狀況,分析了交變電場下粒子的受力情況,闡述了交流電滲的產(chǎn)生機(jī)理,研究了其粒子收集的原理,并用

3、格林函數(shù)法求得溶液中的電勢數(shù)值解,計算出粒子收集的位置,給出了粒子收集位置計算式。以理論分析為基礎(chǔ),建立交流電滲相關(guān)的數(shù)學(xué)物理模型,利用有限元軟件求解有關(guān)電場和流場的Laplace方程及Navier-Stokes方程,并進(jìn)行仿真分析。綜合考慮包括介電泳(DEP, Dielectrophresis)、重力和浮力的作用,得到了微通道內(nèi)粒子的速度分布。同時分析了包括外加頻率、電壓,溶液的電導(dǎo)率等主要參數(shù)對粒子收集效果的影響,為實驗研究提供理論

4、基礎(chǔ)。為驗證理論研究的正確性,設(shè)計加工了硅襯底平行式對稱微電極芯片,以去離子水稀釋直徑0.5μm的聚苯乙烯微球混合溶液為實驗研究對象,施加交變電場,在熒光粒子顯微鏡下觀察到粒子收集現(xiàn)象。通過改變施加信號、溶液參數(shù)等成功地觀察到了不同參數(shù)下的粒子收集實驗結(jié)果,驗證了主要特征參數(shù)對粒子收集的影響。全文通過對交流電滲粒子收集基本理論的闡述,理論分析計算、建模仿真分析及實驗研究,驗證該文的相關(guān)理論,為進(jìn)一步展開交流電滲粒子收集與分離研究奠定了理