微流控芯片中表面修飾顆粒的操控及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在微納系統(tǒng)中,存在著眾多天然的或人工的自生成“微馬達(dá)”運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。人工合成的微納顆粒物從其周圍的“燃料”溶液中獲得能量驅(qū)使自身持續(xù)運(yùn)動(dòng)是一種典型的“微馬達(dá)”自驅(qū)運(yùn)動(dòng)。近年來(lái),這一運(yùn)動(dòng)在生物傳感、功能材料、靶向藥物輸運(yùn)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域呈現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　人工合成的Pt-SiO2型Janus顆?？梢岳闷浔砻娴腜t與其所處環(huán)境中的H2O2溶液發(fā)生催化分解反應(yīng),在顆粒物的表面建立非對(duì)稱的分子數(shù)濃度梯度驅(qū)動(dòng)Janus顆粒產(chǎn)生持續(xù)

2、的自驅(qū)運(yùn)動(dòng)。然而,Janus顆粒的這一自驅(qū)運(yùn)動(dòng)行為具有極大的隨機(jī)性,限制了其在工程上的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)其實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的精確調(diào)控將大大的改觀這一局面。本文探索了借助外加電場(chǎng)對(duì)Janus顆粒自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性進(jìn)行間歇性的抑制,實(shí)現(xiàn)了其在短程距離的來(lái)回往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)。
　　本文首先通過(guò)理論分析的方法針對(duì)Pt-SiO2型Janus顆粒的自驅(qū)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了闡述,得出了Janus顆粒自驅(qū)運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在布朗運(yùn)動(dòng)、自驅(qū)運(yùn)動(dòng)、類布朗運(yùn)動(dòng)三個(gè)階段的結(jié)

3、果。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間在τT﹤τ﹤τR(τT為平動(dòng)特征時(shí)間,τR為旋轉(zhuǎn)特征時(shí)間)的范圍內(nèi)時(shí),它表現(xiàn)為自驅(qū)運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方向具有較好的定向性。接著,用Matlab軟件計(jì)算了Janus顆粒介電響應(yīng)CM因子隨頻率的變化關(guān)系,用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真軟件分析了叉指條帶型電極的空間電場(chǎng)分布。最后,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法研究了叉指條帶型電極中純 SiO2顆粒和 Janus顆粒的介電響應(yīng),與理論分析相呼應(yīng),得出高頻電場(chǎng)下Janus顆粒

4、呈pDEP并被吸引到電極邊緣。另外,Janus顆粒被吸引到電極邊緣時(shí)保持Pt側(cè)朝電極外,SiO2側(cè)朝電極內(nèi)的唯一穩(wěn)定姿態(tài)。本文利用數(shù)值仿真的方法計(jì)算了顆粒的電勢(shì)能,確定了Janus顆粒的Pt與SiO2側(cè)的分界面與電極內(nèi)部呈-60°的夾角時(shí),顆粒表面具有最低的電勢(shì)能,從而解釋了Janus顆粒保持這一姿態(tài)的合理性。最終,再結(jié)合Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)階段運(yùn)動(dòng)具有定向性的特點(diǎn),在條帶型電極上以一定的電場(chǎng)頻率和電場(chǎng)開(kāi)關(guān)周期操控H2O2溶液中的Jan

5、us顆粒,讓Janus顆粒在介電響應(yīng)和自驅(qū)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)之間反復(fù)切換。最終,實(shí)現(xiàn)了Janus顆粒在條帶型電極內(nèi)部的來(lái)回穿梭往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這一研究結(jié)果將有助于Janus顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域沿既定軌道向某指定目的地裝載、輸運(yùn)、卸載藥物等研究的應(yīng)用。
　　對(duì)于單分子DNA力學(xué)特性的研究有助于揭示其基因表達(dá)的機(jī)理,本文所使用的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)和非特異性連接反應(yīng)所形成的“顆粒-DNA-顆?！蔽⑶蚪M合是一種研究單分子DNA的有效方法。此外,嘗