多项式电极介电泳微粒捕获与操控仿真研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201331204004河北工业大学硕士学位论文多项式电极介电泳微粒捕获与操控仿真研究论文作者：李铭浩学生类别：全日制学科门类：工程硕士学科专业：机械工程指导教师：戴士杰职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金(青年)基金项目（项目编号:51505123）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringSIMULATIONRESEARCHONPOLYNOMIALELECTRODESPA

2、RTICLECAPTUREANDMANIPULATIONBYDIELECTROPHORESISbyLiMinghaoSupervisor:DaiShijieMay2016ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(young),(ProjectNumber:51505123)摘要随着微流控技术的迅猛发展，微观粒子研究逐渐形成规模。微粒捕获及操控技术的研究是揭示颗粒特征，探索颗粒运动规律的基础。介电泳具有无需荧光标记、操作简单、灵敏度高等优点，被广泛的应用于微粒捕获及操

3、控中。在基于介电泳技术的微粒捕获及操控技术研究中，电极的形状、数量以及多极子电极通电情况对捕获结果影响很大。其中，对于不同形状电极的研究已较为成熟，而电极数量差异以及不同通电方式对微粒捕获结果影响的研究还有待深入。因此，本文基于多项式双曲线电极开展微粒捕获研究。分析微系统中流体流动特征、微粒捕获机理；仿真并分析不同数量电极以及相不同通电方式对微粒捕获的影响；在捕获机理之上设计四极子多项式电极阵列实现微粒操控。首先，根据微流控芯片中流体流动特征，分析微通道中流体流动情况和满足的流体力学方程。在偶极矩理论基础之上，逐步推导微粒所受介电泳力的公式；分

4、析悬浮液电导率，电场频率对CM因子影响；结合微粒在微通道运动和受力情况，分析并得出微粒捕获及操控过程中主要影响因素，在此基础之上对微粒运动做出分析；分析交流电热效应对微粒捕获的影响。其次，比较正负介电泳力的优缺点，根据课题需求，选取合适的捕获微粒方式；针对芯片特征利用ComsolMultiphysics软件建立捕获及操控模型；以四极子双曲线电极为例，对模型进行控制方程分析和边界条件设置，分析模型中流场、电场以及温度场分布情况，求解温度场与温度场耦合关系、分析介电泳和交流电热对微粒捕获的影响，并对悬浮液电导率进行优化，从而实现高效捕获。再次，以四

5、极子多项式电极为阵列单元，设计多项式电极阵列，规划微粒运动路径。通过控制电极通电情况，改变电场强度最弱区域，从而实现操控目的。最后，基于二极子、六极子以及八极子形状特征分别建立仿真模型，根据四极子模型边界条件设置方法，进行边界条件及参数设定，仿真并计算得到相应模型中流场、温度场和电场的分布情况。根据仿真结果，分析电极数量对微粒捕获的影响，并讨论多项式电极模型中电场切换对捕获微粒的影响。关键字：介电泳，微粒捕获，微粒操控，微流控，多项式电极IABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmicrofluidictechnolo

6、gy,theresearchonmicro-scaleparticleshasgraduallyformedscaleinthemicroworld.Itisthefoundationofexploringtheparticlefeatureandmotionlaw.Dielectrophoresis(DEP)showsgreatadvantages,suchas,withoutfluorescencelabeling、highefficiency、easyoperationandsoon,anditiswidelyusedinparticle

7、captureandmanipulation.Intheresearchesofparticlecaptureandmanipulation,whichisbasedonDEP,theelectrodeshape、numbersandelectrifyingmodesonthemulti-poleelectrodeshavegreateffectsontheresultsofcapture.Whereintheresearchesaboutparticlecapturethatcausedbyelectrodeshapesarequitemat

8、ureandwidelyusedinparticlecapture,theresearchesaboutdifferentnumbersofmulti