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基于超声驻波的微纳粒子收集机理及实验研究

作　者: 耿翠肖
导　师: 夏宇宏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 超声驻波 粒子收集 声辐射力 微流控
分类号: TB559
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着人类环保意识的增强以及反恐形势的日益严峻，面向微纳米尺度病原体的实时快速检测研究已迫在眉睫。无论疾病的快速诊断异或环境中污染物的迅速甄别，首要解决的技术难题均是实现流体中微纳米粒子的快速聚集，以满足检测所需的粒子浓度。微流控技术在微纳米粒子的精确操纵方面极具优势，目前有多种方法用于该项研究，如介电泳、流体聚焦等。而基于超声驻波的微纳米粒子收集方法，以其高效性及结构的简易性而备受关注。因此，本文对超声驻波进行微纳米粒子收集的机理及相关实验展开研究。首先综述了微流控系统中常用的几种粒子操纵技术，详细分析了基于超声驻波粒子收集的国内外研究现状，提出了目前研究中存在的主要问题。揭示了利用超声驻波进行粒子收集的机理，研究了影响声辐射力的主要因素，着重分析了粒子及周围溶液的性质对于声场中粒子聚集位置的决定性作用，推导了声场作用下粒子所受的一次辐射力及二次辐射力的表达式，并对其关键参数进行了分析。此外，对小尺度粒子所受的声流作用进行了分析，明确了声流的有效作用范围及其主要影响规律。其次，以理论分析为基础，并综合考虑声波的传播规律及主要影响因素，设计了利用方形毛细管搭建粒子收集系统的主要结构，并以系统的声阻抗分析为依据选择了芯片的材料。提出了超声驻波粒子收集结构的制作工艺方法，并对毛细管的共振频率进行了仿真分析，为后续实验提供参数依据。再次，分别选取直径为0.5μm、3μm、5μm、10μm和20μm的不同浓度的粒子悬浮液为研究对象，进行了大量实验研究。分别针对粒子的直径、浓度、频率等因素进行深入分析，成功实现了多参数条件下粒子的快速聚集，并验证了理论及仿真研究的正确性。最后，在理论及基本实验研究的基础上，本文利用实验系统进行了海拉细胞和人类肝癌细胞的快速收集实验研究，获得了十分理想的收集现象，结果表明，超声驻波能够实现生物粒子的快速聚集，因此论文研究成果具有广阔的应用前景。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-17
  1.1 课题来源及研究目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-16
    1.2.1 粒子的操纵方式  9-13
    1.2.2 超声驻波粒子收集国内外研究现状  13-16
  1.3 论文的主要内容  16-17
第2章 超声驻波粒子收集机理研究  17-32
  2.1 超声驻波粒子收集前期理论基础  17-20
    2.1.1 压电超声换能器  17-18
    2.1.2 超声波基础理论  18-20
  2.2 超声驻波粒子收集机理  20-28
    2.2.1 压电换能器产生的声场形式  21-22
    2.2.2 散射理论  22-24
    2.2.3 一次声辐射力的推导  24-26
    2.2.4 二次声辐射力的推导  26-28
  2.3 粒子材料对声辐射力的影响  28-30
  2.4 超声驻波致声流现象  30
  2.5 本章小结  30-32
第3章 粒子收集芯片结构设计及共振频率分析  32-42
  3.1 装置类型的选择  32-33
  3.2 装置材料的选择  33-35
  3.3 超声驻波粒子收集芯片制作  35-39
  3.4 方形毛细管共振频率的仿真  39-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章 超声驻波聚合物粒子收集的基础实验研究  42-59
  4.1 实验系统搭建  42
  4.2 聚合物粒子收集实验安排  42-46
    4.2.1 实验装置的选择  42-45
    4.2.2 聚合物粒子收集的系统实验设置  45-46
  4.3 频率对收集效果的影响及分析  46-49
    4.3.1 频率对收集效果影响的实验流程  46
    4.3.2 实验结果及分析  46-49
  4.4 粒子浓度对收集效果的影响及分析  49-51
    4.4.1 粒子浓度对收集效果影响的实验流程  49
    4.4.2 实验数据处理及分析  49-51
  4.5 流速对收集效果的影响及分析  51-53
    4.5.1 流速对收集效果影响的实验流程  51-52
    4.5.2 实验数据处理与分析  52-53
  4.6 粒子尺寸对收集效果的影响及分析  53-57
    4.6.1 实验材料的准备  53-54
    4.6.2 粒子尺寸对收集效果影响的实验流程  54
    4.6.3 实验结果及分析  54-57
  4.7 本章小结  57-59
第5章 超声驻波在恶性肿瘤细胞聚集中的应用研究  59-68
  5.1 超声驻波在宫颈癌(HELA)细胞聚集中的应用研究  59-61
    5.1.1 实验用 HELA 细胞准备  60
    5.1.2 HELA 细胞聚集实验结果及分析  60-61
  5.2 超声驻波在肝癌细胞聚集中的应用研究  61-67
    5.2.1 肝癌细胞准备  61-62
    5.2.2 肝癌细胞聚集实验结果及分析  62-67
  5.3 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程 > 超声的应用
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