基于行波介電泳力的微粒子操控機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、以行波介電泳基本原理為基礎(chǔ)，對(duì)微納粒子操控技術(shù)的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。課題隸屬于芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-On-Chips，LOC）的范疇，廣義上，屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)的范疇。
　　微流體中病原菌或生物細(xì)胞等微鈉粒子的操控，是MEMS領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題，它在生物、化學(xué)以及軍事科技等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用背景。行波介電泳技術(shù)（twDEP,traveling-wave

2、 dielectrophoresis）是一門新興的技術(shù)，在粒子的收集與分離等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，即：將傳統(tǒng)介電泳和行波介電泳兩種操控方式進(jìn)行集成，與傳統(tǒng)介電泳（DEP，dielectrophoresis）相比，行波介電泳無(wú)需額外的流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備，原理上可分離多種粒子、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、并且容易與微芯片集成等。因此，行波介電泳技術(shù)成為基于電場(chǎng)機(jī)制的微納粒子操作中的一項(xiàng)比較熱門的技術(shù)。
　　本文首先綜述了基于行波介電泳力的微粒子操控相關(guān)

3、技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后分析了其基本機(jī)理，研究分析了介電泳力的基本公式以及影響行波介電泳力的主要因素，計(jì)算了行波介電泳力的提升高度，并推導(dǎo)了行波介電泳力作用下微粒子的運(yùn)動(dòng)速度公式。
　　以理論分析為基礎(chǔ)，建立了微通道物理模型，應(yīng)用COMSOL軟件，建立了數(shù)學(xué)模型，設(shè)置了邊界條件，求解Laplace方程，分別對(duì)電勢(shì)、電場(chǎng)等進(jìn)行仿真分析，模擬了粒子的提升力和水平驅(qū)動(dòng)力的方向、大小，并且詳細(xì)分析了電壓、頻率、溶液和粒子的導(dǎo)電率、介電常

4、數(shù)、粒子的尺寸等因素對(duì)于行波介電泳微納粒子操控技術(shù)的影響。
　　設(shè)計(jì)并委托加工了行波介電泳芯片，以該芯片為基礎(chǔ)，完成了基于行波介電泳的微納粒子定向驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)；將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果及理論研究進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論研究以及仿真分析的正確性；通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，詳細(xì)分析了電壓、頻率等對(duì)行波介電泳微納粒子操控的影響，為后續(xù)研究工作奠定了基礎(chǔ)。論文理論研究與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用陣列電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒子的提升和定向驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了行