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微流控芯片中微米颗粒电动操控研究

作　者: 田福真
导　师: 张凯
学　校:
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 微流控微米颗粒电动操控沉降率
分类号: O361.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 59次
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内容摘要

随着相关研究和技术的发展，微流控芯片越来越多地应用在各个领域。微米级颗粒（包括细胞、细菌）是微流控芯片重要的分析对象之一，面向微米级颗粒的操控是微流控芯片的重要任务。电动操控是目前在微流控芯片中应用最广泛最成功的操控方式，与传统方式相比，在流体驱动和颗粒操控方面电动操控都有其独特的优势。以往对微流控芯片的研究主要着重在加工技术上，对其内部的物理机制重视不够。在此背景下，有必要开展的微流控芯片中微米颗粒电动操控的理论研究与数值模拟。本文以微直通道内微电极附近颗粒和经过90度微通道弯管的颗粒为研究对象，采用数值模拟的方法对颗粒受力、颗粒运动、颗粒捕捉和沉降进行了深入的研究，为微流控芯片的设计提供了参考和指导。本文的主要工作内容如下：（1）对电渗流进行了理论分析，建立了微流控系统中电渗流的多物理场耦合方程组。（2）分析了微米颗粒的多种受力，建立了综合的颗粒受力模型和运动模型。重点分析了电泳和介电泳在颗粒操控中的作用。（3）利用Fluent的用户自定义函数（UDF）接口，编写了描述电渗流和颗粒受力运动的C语言方程，并进行了数值模拟研究。（4）以微直通道中条带电极电场为例，对微电极附近颗粒电动运动进行了二维的数值模拟，利用统计方法，研究了微电极施加电压与颗粒捕捉效率的关系。（5）以90度微通道弯管电场为例，对弯管非均匀电场中颗粒的电动运动进行了研究，研究了颗粒在不同受力情况下的沉降运动，利用统计方法，颗粒的沉降率与Stokes数（St）的关系。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
目次  10-12
图清单  12-13
表清单  13-14
1 绪论  14-28
  1.1 研究背景和意义  14-17
  1.2 流体驱动方式  17-23
    1.2.1 压力驱动方式  17-19
    1.2.2 电渗驱动方式  19-22
    1.2.3 诱导电渗流驱动方式  22-23
  1.3 颗粒操控方式  23-26
    1.3.1 电泳颗粒操控  23-24
    1.3.2 介电泳颗粒操控  24-26
  1.4 本文的研究内容及创新点  26-28
    1.4.1 主要研究内容  26-27
    1.4.2 论文创新点  27-28
2 电动流动理论及颗粒受力运动  28-38
  2.1 电渗流的原理  28-33
    2.1.1 动电效应和双电层理论  28-31
    2.1.2 电渗流的控制方程  31-33
  2.2 介电泳的原理  33-35
  2.3 颗粒的受力模型与运动模型  35-38
    2.3.1 受力模型  35-37
    2.3.2 运动模型  37-38
3 数值模拟方法综述  38-50
  3.1 数值模拟的离散方法  38-40
  3.2 流体力学的控制方程  40-42
  3.3 粘性不可压方程组的解法  42-47
    3.3.1 有限体积法的基本思想  42-43
    3.3.2 基于有限体积法的离散格式  43-44
    3.3.3 压力修正算法  44-47
  3.4 UDF 概念及其应用  47-50
4 微电极附近颗粒电动运动研究  50-58
  4.1 计算模型  50-51
  4.2 流动模型  51
  4.3 颗粒受力与运动  51-53
  4.4 结果及讨论  53-56
  4.5 小结  56-58
5 微米颗粒在 90 度弯道中电动运动研究  58-69
  5.1 计算模型  59
  5.2 流动模型  59-60
  5.3 颗粒受力与运动  60-63
  5.4 程序验证  63
  5.5 结果及讨论  63-68
  5.6 小结  68-69
6 总结及展望  69-71
  6.1 全文总结  69
  6.2 研究展望  69-71
参考文献  71-75
作者简介  75

微流控芯片中微米颗粒电动操控研究

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