基于介电泳力的微粒子收集机理分析与实验研究

论文摘要

低浓度待检测物的快速收集及其分离操作,在生物工程、反恐以及军事科技等领域均具有重要意义,也是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）领域的一个瓶颈问题,引起了越来越多人的关注。目前有多种方法可应用于微粒子的收集与分离,其中基于电场机制的方法应用得较为广泛。随着MEMS中微加工技术的不断发展,微纳米级的微电极能够很容易地集成到微流体器件上。介电泳（DEP, Dielectrophoresis）技术是一门新兴技术,它在粒子的收集与分离等方面具有很多优势,如收集或者分离速度快、可分离多种粒子、能实现实时检测、容易与微芯片集成等,成为基于电场机制的微粒子操作中的一个热门课题。本文详细综述了基于介电泳力的微粒子收集相关技术的国内外研究现状,分析了其基本机理,研究了影响介电泳力的主要因素,提出了使微粒子能分别受到正、负介电泳力的溶液的导电率范围以及转折频率,推导了介电泳力作用下微粒子的运动速度公式。以理论分析为基础,选择对称电极以及四极星型电极两种芯片,建立了相关的数学物理模型。通过求解Laplace方程,分别对电势、电场以及介电泳力进行仿真分析,确定了待收集粒子的聚集位置,分析研究了整个系统内电压、频率等对于介电泳力的影响。为验证理论研究以及仿真分析的正确性,以KCl溶液稀释537的聚苯乙烯微球混合溶液为研究对象,利用对称电极以及四极星型电极进行实验,成功地实现了微粒子的收集,并且验证了理论以及仿真分析的结果。通过改变施加信号,分析了相关参数对微粒子收集的影响。论文理论研究与实验相结合,利用简单结构实现了较为复杂的微粒子收集过程,为进一步研究介电泳力作用下微粒子的收集或者分离等操作奠定了理论及实验基础。

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 粒子的控制方法
• 1.2.2 介电泳技术国内外发展现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 介电泳力粒子收集的机理分析
• 2.1 静电学基本原理
• 2.1.1 基本定律和方程
• 2.1.2 电偶极
• 2.1.3 电介质
• 2.1.4 相对介电常数
• 2.2 介电泳力
• 2.2.1 球形粒子的偶极距
• 2.2.2 介电泳力的计算公式
• 2.3 介电泳力的影响因素
• 2.3.1 频率对介电泳力的影响
• 2.3.2 溶液导电率对介电泳力的影响
• 2.3.3 粒子导电率对介电泳力的影响
• 2.4 介电泳力作用下粒子的速度
• 2.5 本章小结
• 第3章 交流电场机制的介电泳力数值仿真研究
• 3.1 仿真模型的建立
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 二维仿真模型
• 3.2 微通道内电势分布的数值仿真
• 3.2.1 电势分布仿真的基本方程
• 3.2.2 对称电极边界条件的设置
• 3.2.3 四极星型电极边界条件的设置
• 3.3 微通道内粒子受介电泳力的数值仿真
• 3.3.1 介电泳力的描述方程
• 3.3.2 介电泳力表达方式的设置
• 3.4 介电泳力作用下粒子速度的数值仿真
• 3.5 数值仿真结果与分析
• 3.5.1 电势分布
• 3.5.2 电场分布
• 3.5.3 介电泳力的分布
• 3.5.4 介电泳力作用下粒子速度的分布
• 3.6 介电泳粒子收集的影响因素
• 3.6.1 频率与介电泳力
• 3.6.2 电压与介电泳力
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于介电泳力的微粒子收集实验研究
• 4.1 介电泳力作用下微粒子收集实验
• 4.1.1 介电泳粒子收集芯片材料的选择与制作
• 4.1.2 实验条件及实验方法
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 介电泳粒子收集实验结果
• 4.2.2 频率的影响
• 4.2.3 电压的影响
• 4.3 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
• 个人简历