介电电泳单颗粒捕捉中相互作用力的影响及应用

论文摘要

单颗粒捕捉技术是胶体科学、分析化学和生物学等领域里具有挑战性的方向之一，是众多前沿研究领域所需要的技术，因而发展一种低成本、高稳定性的捕捉方法具有重要的意义。介电电泳（Dielectrophoresis，DEP）技术是一种相对廉价同时又可以提供丰富控制形式的颗粒操控技术，且所操纵的颗粒不需满足带电或具有磁性的条件，特别适用于在局部区域对颗粒进行操纵。近年来随着微流控芯片技术的快速发展，使得采用基于DEP的微流控芯片进行单个微米级颗粒的捕捉成为可能。基于上述考虑，本文以DEP微流控芯片技术为依托，针对连续流动条件下微米尺度单颗粒的捕捉问题，分析了近程颗粒间相互作用力（静电相互作用力）对捕捉性能的影响，研究在捕捉区域内同时出现两个紧邻颗粒的情况下，相互作用力对单颗粒捕捉性能的影响及消除此负面影响的方法。通过构造一半开式突缩型内流道，采用数值仿真的方法得出静电相互作用力的量级分布，结果表明其在单颗粒捕捉中的影响不容忽视，该力是导致传统连续型DEP单颗粒捕捉失败的主要原因。数值仿真亦表明脉冲型DEP可有效消除静电相互作用力的影响，是一种具有较高稳定性的单颗粒捕捉方法。另一方面，以脉冲型DEP单颗粒捕捉技术为基础，在两颗粒之间连入一段DNA分子，通过该DNA分子为两个相距较远的颗粒提供一种远程的相互作用力（DNA分子弹力），将对DNA的拉伸转变为对与DNA相连的颗粒周期性地捕捉与释放，借此提出一种反复拉伸DNA分子的新方法。采用数值模拟和仿真的方法证明了该方法的可行性，结果表明通过微柱阵列及三组条带型电极结构可以实现两个颗粒在流道中稳定地往复振动，从而实现对DNA的反复多次拉伸。随后，研究了在该相互作用力下颗粒的运动情况，得到了颗粒稳定往复振动的运动轨迹，并通过颗粒的受力分析进一步获得了DNA分子在反复拉伸过程中的典型力学性能曲线。最后，分析了DNA的弹性系数及颗粒直径等参数对DNA拉伸及力学性能的影响，为开展相关的实验研究铺平了道路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 单颗粒捕捉及微流控芯片
• 1.1.2 介电电泳
• 1.2 研究意义
• 1.2.1 研究单颗粒捕捉中相互作用力影响的意义
• 1.2.2 研究单颗粒捕捉中相互作用力应用的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 单颗粒捕捉的研究现状
• 1.3.2 单颗粒捕捉中相互作用力影响的研究现状
• 1.3.3 单颗粒捕捉中相互作用力应用的研究现状
• 1.4 研究目的及内容
• 2 基本理论
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 层流和紊流
• 2.1.2 极低雷诺数下的圆柱绕流
• 2.2 颗粒在微流道中的受力
• 2.2.1 介电电泳力
• 2.2.2 静电相互作用力
• 2.2.3 斯托克斯力
• 2.2.4 萨夫曼力
• 2.2.5 其它受力
• 2.3 基于介电电泳的颗粒捕捉基本原理
• 3 数值模拟理论基础
• 3.1 数值模拟
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 连续方程
• 3.2.2 动量方程
• 3.2.3 静电场的拉普拉斯方程
• 3.3 参数设定
• 4 单颗粒捕捉中相互作用力的影响
• 4.1 研究内容
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件设定
• 4.2.4 数值模拟结果及分析
• 4.3 静电相互作用力影响的模拟与分析
• 4.3.1 DEP 力的计算
• 4.3.2 Stokes 力的计算
• 4.3.3 颗粒捕捉点位置的确定
• 4.3.4 静电相互作用力的计算
• 4.3.5 静电相互作用力对单颗粒捕捉的影响
• 4.4 消除静电相互作用力的方法
• 4.5 本章小结
• 5 单颗粒捕捉中相互作用力的应用
• 5.1 研究内容
• 5.2 DNA 反复拉伸的原理及受力分析
• 5.3 DNA 反复拉伸器件的设计
• 5.3.1 方案选择
• 5.3.2 几何模型
• 5.3.3 网格划分
• 5.3.4 边界条件设置
• 5.3.5 数值模拟结果及分析
• 5.4 DNA 反复拉伸的典型力学性能
• 5.4.1 DEP 力的计算
• 5.4.2 Stokes 力的计算
• 5.4.3 Stokes 力与 DEP 力合力的计算及稳定捕捉点分布
• 5.4.4 颗粒轨迹计算
• 5.5 影响 DNA 反复拉伸力学性能的主要因素
• 5.5.1 弹性系数影响
• 5.5.2 颗粒半径影响
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间取得的研究成果
• 附录 颗粒轨迹数值仿真流程图