隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,微流控技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于粒子的收集和精準(zhǔn)操控。熱驅(qū)動(dòng)方式在粒子收集和操控技術(shù)中已經(jīng)被證明是適用且高效的,而熱浮力流就是其中一種。熱浮力流的誘發(fā)方式有多種,其中利用微電極加熱的方式具有熱源容易獲得、操作原理簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)且在粒子定比例收集方面,該方式的研究和應(yīng)用較少。因此,本文研究了基于熱浮力流作用的粒子定比例收集機(jī)理以及開(kāi)展了部分實(shí)驗(yàn)的研究,可為快速實(shí)現(xiàn)多級(jí)濃度實(shí)驗(yàn)試劑提供一種新的解決方案。首先,通過(guò)對(duì)熱浮流模型的傳熱分析,闡述了熱浮力流模型中熱量的產(chǎn)生和傳遞過(guò)程,建立了模型中固體和流體部件的溫度分布方程,進(jìn)而分析流體作用力,利用斯托克斯公式和流體連續(xù)性方程建立了流體流速方程,進(jìn)一步闡述了熱浮流的形成和熱浮力流作用下粒子捕獲的三個(gè)過(guò)程。此外,通過(guò)對(duì)單個(gè)粒子的受力分析,利用牛頓第二定律確定了粒子在不同捕獲階段的動(dòng)力學(xué)方程,并且通過(guò)對(duì)粒子在流體內(nèi)的通量變化分析,利用歐拉法建立了粒子群運(yùn)動(dòng)的微分方程。然后,設(shè)計(jì)了熱浮力流微流控芯片的結(jié)構(gòu),利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)電極形狀與尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真,分析了不同電極形狀與尺寸參數(shù)對(duì)流體溫度與流速分布的影... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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圣誕樹(shù)通道結(jié)構(gòu)[23]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-圖1-1圣誕樹(shù)通道結(jié)構(gòu)[23]哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉江偉[26]利用誘導(dǎo)電荷電滲的方法在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了微顆粒的定比例收集，如圖1-2，利用非對(duì)稱的寬、窄懸浮電極在誘導(dǎo)電極作用下發(fā)生誘導(dǎo)電滲漩渦，由于該漩渦始于寬、窄電極邊緣且在電極寬度大于150um后，旋渦向外延伸幾乎不變，從而使得能夠收集到寬、窄電極上方與其同寬度的粒子帶范圍，因而實(shí)現(xiàn)了定比例收集。但該方法與誘導(dǎo)電極在微通道內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，這需要對(duì)通道寬度進(jìn)行限制，這與信號(hào)發(fā)生器能夠輸出的最大電壓幅值有關(guān)。當(dāng)通道寬度較寬時(shí)則需要更大的電壓幅值，這與微流控芯片的低耗能違背。圖1-2誘導(dǎo)電荷電滲粒子定比例收集[26]1.2.2微顆粒操縱方式微顆粒的操縱方式有多種：機(jī)械操控法[27]、化學(xué)操控法[28]、光學(xué)操控法[29]、磁學(xué)操控法[30]、聲學(xué)操控法[31]、電場(chǎng)操縱方法、熱場(chǎng)操縱方法等。在眾多的粒子操控方法中，基于電場(chǎng)操控的方法最為成熟，這其中就包括電泳法[32]、介電泳法[33]、交流電滲法[34]、誘導(dǎo)電荷電滲法[35]等，但基于電場(chǎng)的操縱方法容易受電導(dǎo)率的嚴(yán)格限制，大都需要在流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，這就需要施加的電壓幅值較大；基于熱場(chǎng)的粒子操縱方法具有熱源容易獲得，操作原理簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模，任意位置聚集的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：熱泳法、熱浮力流法和熱毛細(xì)對(duì)流法等。B=4分支點(diǎn)B=5B=7B=8B=9B=3B=6

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-1.2.2.1粒子的電場(chǎng)操控方法電泳法是利用高壓直流電對(duì)粒子進(jìn)行相關(guān)操作，如圖1-3當(dāng)電極兩端施加電壓時(shí)由于每個(gè)粒子所帶電荷的數(shù)量和極性不一樣，運(yùn)動(dòng)速度不同，因此不同的粒子會(huì)在不同的時(shí)刻移動(dòng)到電極兩側(cè)的不同位置。這種方法在早期技術(shù)中應(yīng)用較多、較為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需將微電極加入到通道內(nèi)部，制造簡(jiǎn)單，但是其設(shè)備較大，能量消耗多，操作步驟復(fù)雜且繁多，并且在對(duì)粒子的操作過(guò)程中容易產(chǎn)生電解氣泡，會(huì)有衍生物產(chǎn)生而且會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生，在現(xiàn)在的粒子操控收集技術(shù)中已經(jīng)很少使用。圖1-3電泳原理[32]交流電滲是通過(guò)在流場(chǎng)內(nèi)施加交流電操縱粒子的一種電場(chǎng)操縱方法。電滲是指流體內(nèi)施加電場(chǎng)，多孔物吸附離子而使溶液帶電，溶液隨漩渦移動(dòng)[36]。在電場(chǎng)作用下帶電固體表面會(huì)形成雙電層，雙電層的強(qiáng)弱隨著電場(chǎng)強(qiáng)弱有密切關(guān)系。當(dāng)固-液截面吸附電荷時(shí)，界面形成的雙電層視為非均勻分布的電容，電容的電勢(shì)按指數(shù)衰減。如圖1-4所示，微通道內(nèi)對(duì)稱布置微電極，在電極上施加交流電，對(duì)稱布置的微電極表面在電場(chǎng)的作用下形成雙電層，并形成電滲漩渦。由于流體具有粘性，當(dāng)流體隨漩渦循環(huán)流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)的粒子也會(huì)跟隨流體隨漩渦移動(dòng)，最終在微電極表面上粒子受力平衡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而聚集在微電極表面。圖1-4交流電滲原理圖[34]不同帶電粒子E對(duì)稱電極交流電源對(duì)稱電極

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本文編號(hào)：2999126