【摘要】：微流控芯片,也叫作芯片實(shí)驗(yàn)室,借助MEMS技術(shù)加工制作微通道網(wǎng)格,在微納米尺度空間對(duì)流體和微納米粒子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和操控,目的是將常規(guī)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的樣品進(jìn)樣,樣品處理,分離篩選,檢測(cè)分析等一系列功能集成到幾平方厘米甚至更小的芯片上,從而有效地減少樣品和試劑消耗,降低反應(yīng)和分析時(shí)間,提高分析效率和通量,具有微型化,集成化,自動(dòng)化,便攜化等特點(diǎn),在化學(xué)、生物、醫(yī)藥、微納米材料合成等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)微通道中微流體驅(qū)動(dòng)和微納米粒子操控,目前已經(jīng)提出了各種類型的微泵。其中,交流動(dòng)電微泵,主要包括交流電滲、交流電熱和介電電泳效應(yīng),通過(guò)在微通道中集成微電極對(duì)陣列,在電極對(duì)上施加低壓交變電場(chǎng),能夠驅(qū)動(dòng)微流體流動(dòng)、混合樣品,實(shí)現(xiàn)微納米粒子捕獲、分離、聚集、篩選等操控。交流動(dòng)電微泵具有易集成,沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單,效率高,抑制電極電解反應(yīng)、溫度變化小等優(yōu)點(diǎn),在微流控芯片的發(fā)展中具有極大的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步提高交流電滲微泵的驅(qū)動(dòng)流速,增強(qiáng)樣品混合,本文利用數(shù)值計(jì)算研究了圓柱微通道中基于非對(duì)稱圓環(huán)電極對(duì)陣列的交流電滲微泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)和混合性能。交流電滲效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制是非均勻交變電場(chǎng)與電極表面雙電層內(nèi)的離子相互作用的結(jié)果。根據(jù)平面電極交流電滲微泵線性泊松-玻爾茲曼理論模型,本文提出了圓環(huán)電極表面雙電層的等效空心圓柱電容器模型,得到電極表面的電荷守恒連續(xù)性方程和電滲滑移速度邊界條件,聯(lián)立電場(chǎng)和流場(chǎng)方程,建立三維圓環(huán)電極交流電滲微泵的線性泊松-玻爾茲曼模型。對(duì)于稀釋強(qiáng)電解質(zhì)溶液,利用Kohlrausch經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式建立電解液濃度和電導(dǎo)率之間的函數(shù)關(guān)系,研究電極表面雙電層等效電容、阻抗比例因子等隨電解液濃度的變化關(guān)系。本文分析討論了外加電場(chǎng)交變頻率,電解液濃度,電極幾何結(jié)構(gòu)等對(duì)圓環(huán)電極交流電滲微泵驅(qū)動(dòng)流速的影響,并且得到了流速最大時(shí)的最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,相比于平面電極,圓環(huán)電極交流電滲微泵能進(jìn)一步增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)流速,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。在微通道中交流電滲流總是伴隨著電極表面渦旋的產(chǎn)生,利用渦旋可以實(shí)現(xiàn)樣品混合。根據(jù)建立的三維圓環(huán)電極交流電滲微泵理論模型,聯(lián)立濃度場(chǎng)的對(duì)流-擴(kuò)散方程,本文進(jìn)一步研究了微泵對(duì)樣品的混合性能。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用內(nèi)外圓管入口方式時(shí),圓環(huán)電極交流電滲微泵能夠改善樣品混合效率。這是由于內(nèi)外圓管中兩種不同濃度的樣品在渦旋作用下,能夠在外部圓管區(qū)域和內(nèi)部圓管區(qū)域之間進(jìn)行交換,增強(qiáng)混合效率。對(duì)交流電滲流速度場(chǎng),渦度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分析,合理地解釋了混合機(jī)制。為了進(jìn)一步增強(qiáng)微泵的混合效率,本文設(shè)計(jì)了不同圓環(huán)電極對(duì)的組合序列。本文數(shù)值研究表明,圓環(huán)電極交流電滲微泵,采用內(nèi)外圓管入口方式,能夠快速地驅(qū)動(dòng)稀釋電解液流體流動(dòng),同時(shí)對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)高效地混合。為了能夠利用交流電熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)高電導(dǎo)率流體,同時(shí)增強(qiáng)樣品混合,本文數(shù)值研究了基于圓柱微通道內(nèi)嵌非對(duì)稱螺旋電極對(duì)的交流電熱微泵的同時(shí)驅(qū)動(dòng)和混合性能,適用于生物流體應(yīng)用。交流電熱效應(yīng)的機(jī)制是在非均勻交變電場(chǎng)作用下,微流體中產(chǎn)生焦耳熱,由于溫度梯度導(dǎo)致電解液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)梯度產(chǎn)生,在流體中出現(xiàn)了空間局部自由電荷,在非均勻交變電場(chǎng)力作用下自由電荷運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)周圍粘性流體流動(dòng)的結(jié)果。交流電熱流也伴隨著電極表面渦旋的產(chǎn)生,能夠增強(qiáng)樣品混合。本文建立了基于小的溫度梯度近似假設(shè)下的電場(chǎng)-溫度場(chǎng)-流場(chǎng)弱耦合交流電熱理論模型,并聯(lián)立濃度場(chǎng)的對(duì)流-擴(kuò)散方程,數(shù)值研究螺旋電極交流電熱微泵的同時(shí)驅(qū)動(dòng)和混合機(jī)制及其影響因素。研究表明,螺旋電極交流電熱微泵誘導(dǎo)產(chǎn)生的渦旋,沿著螺旋電極表面在微通道中呈現(xiàn)螺旋分布,其中心軸線沿電極長(zhǎng)度方向,與微通道方程呈現(xiàn)一定的傾斜,從而在兩方面影響流體流動(dòng):一是在微通道長(zhǎng)度方向驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng),另一個(gè)是攪拌流體增強(qiáng)樣品混合。不同的電極-間隔幾何比例或螺旋電極傾斜角能夠控制微泵的驅(qū)動(dòng)和混合相對(duì)強(qiáng)度,并且得到了流速和混合效率都較大時(shí)的最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)。本文數(shù)值研究表明,螺旋電極交流電熱微泵能夠快速地驅(qū)動(dòng)高電導(dǎo)率流體流動(dòng),同時(shí)增強(qiáng)樣品混合效率。根據(jù)所建立的交流電滲和交流電熱理論模型,本文數(shù)值研究了圓柱微通道中基于非對(duì)稱圓環(huán)電極對(duì)陣列的交流動(dòng)電微泵,結(jié)合交流電滲和介電電泳效應(yīng),以及交流電熱和介電電泳效應(yīng),分別實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒子的同時(shí)輸運(yùn)和聚集。介電電泳是非均勻交變電場(chǎng)與極化粒子相互作用導(dǎo)致的粒子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于微流體中的粒子運(yùn)動(dòng),本文分別采用牛頓運(yùn)動(dòng)方程研究單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng),以及Fokker-Planck方程研究多粒子濃度(概率密度)分布。數(shù)值結(jié)果表明,基于圓柱微通道中圓環(huán)電極的交流電滲和負(fù)介電電泳效應(yīng)相結(jié)合,以及交流電熱和負(fù)介電電泳相結(jié)合,能夠快速地驅(qū)動(dòng)粒子在微通道中運(yùn)動(dòng),同時(shí)在微通道中心軸附近區(qū)域聚集粒子。作用機(jī)制是,微粒子在交流電滲流或是交流電熱流拖曳下隨流體流動(dòng),在電極邊界處,負(fù)介電電泳力遠(yuǎn)大于交流電滲或交流電熱Stokes拖曳力,排斥粒子遠(yuǎn)離電極表面;而在電極中心處,雖然負(fù)介電電泳力很小,但是交流電滲流或交流電熱流能夠拖動(dòng)粒子遠(yuǎn)離電極表面。外加交變信號(hào),粒子大小和密度,粒子和流體的電導(dǎo)率和介電常數(shù),電極幾何結(jié)構(gòu)等都將影響圓環(huán)電極交流動(dòng)電微泵對(duì)粒子的輸運(yùn)和聚集。本文數(shù)值模擬研究表明,圓柱微通道中基于圓環(huán)電極的交流動(dòng)電微泵能夠快速地驅(qū)動(dòng)微流體流動(dòng),同時(shí)高效地混合樣品,并且能夠?qū)ξ⒘Ｗ舆M(jìn)行同時(shí)輸運(yùn)和聚集,適用于生物化學(xué)應(yīng)用中,對(duì)微流控芯片的發(fā)展具有重要意義。
【圖文】：

微尺度空間內(nèi)對(duì)流體、微納米粒子等進(jìn)行操控，將生物、化學(xué)和材及的樣品進(jìn)樣、樣品處理、混合反應(yīng)、分離檢測(cè)等一系列常規(guī)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗傻綆灼椒嚼迕咨踔粮〉男酒系囊环N技術(shù)平臺(tái)，從而實(shí)術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合和規(guī)模集成，具有微型化、集、自動(dòng)化和便攜化等特點(diǎn)[1, 4, 8, 9]，如圖 1.1 所示。經(jīng)歷近二十年芯片不僅在化學(xué)分析（檢測(cè)技術(shù)、離子、小分子研究）和生物領(lǐng)域式反應(yīng)（microPolymeraseChainReaction，mPCR）、核酸分析、基因分析、細(xì)胞研究、模式生物研究、甚至是仿生實(shí)驗(yàn)室）展開(kāi)了相關(guān)疾病診斷和治療、即時(shí)檢測(cè)技術(shù)（Point-of-care Testing，POCT）、子生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事和刑偵，微納米材料合成等各個(gè)科學(xué)技泛地應(yīng)用。微流控芯片產(chǎn)生的影響極大地超出了人們的預(yù)料，被稱的七種技術(shù)之一”。甚至大規(guī)模微電子集成電路控制的功能型大規(guī)芯片的提出，將“生命”與當(dāng)代高速發(fā)展的“信息”科學(xué)技術(shù)相結(jié)現(xiàn)“生命”和“信息”兩種芯片的深度對(duì)接，對(duì)人類未來(lái)產(chǎn)生不可影響[10]。

1 緒論控。微電極對(duì)結(jié)構(gòu)主要包括：（a）非對(duì)稱微電極對(duì)陣列結(jié)構(gòu)相（0 和180 ）電壓，，由于空間不對(duì)稱性，在非均勻電場(chǎng)作動(dòng)，包括 ACEO 和 ACET 微泵；（b）對(duì)稱微電極對(duì)陣列結(jié)構(gòu)上施加相位差為90 的交流電壓，產(chǎn)生行波電場(chǎng)，由于時(shí)間電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生雙向凈流動(dòng)，包括行波電滲（Travellingelec3,22-25]和行波電熱（Travellingelectro-thermal，TWET）微泵[2稱電極對(duì)陣列對(duì) ACEK 效應(yīng)展開(kāi)相關(guān)的理論研究工作。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN492

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2669472