面向微粒分选的叉指型介电泳芯片研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201321202014河北工业大学硕士学位论文面向微粒分选的叉指型介电泳芯片研究论文作者：闫姿姿学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：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“微纳微粒介电泳与流体对流传质过程的耦合机理研究”(编号51505123)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringINTERDIGITEDD

2、IELECTROPHORESISCHIPFORPARTICLESEPARATIONByYanZiziSupervisor:Prof.DaiShijieMay2016ThisworksupportedbyNationalNaturalScienceFoundProject(young):Micro-nanodielectrophoresisparticlesandfluidcouplingmechanismresearchofcirculatingprocess.No.51505123.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论

3、文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论

4、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要微流控芯片技术是一种精确控制和操控微纳尺度流体的方法。由于微流控芯片具有容量小、体积小、样品用量少、分析速度快、灵敏度高、易于集成和低能量消耗等优点，自被提出以来就受到人们的广泛关注。介电泳技术是基于微流控芯片对微纳微粒进行操控的主要手段，它利用外加非均匀电场对中性介电微粒进行运输、捕获、分选和操控，是在微流控芯片上微粒分选的有效方法，广

5、泛应用于分析化学和生物检测等领域，尤其在生物细胞的分选、检测等方面有着相当重要的研究意义和实用价值。设计合理的介电泳微流控芯片结构，在微流场内产生适宜的非匀强电场，是实现微粒高效分选的一个重要前提。本文在对介电泳微纳粒子分选机理研究的基础上设计了非对称叉指微电极阵列，并对微电极阵列和微通道的尺寸、外电场电压幅值等参数进行了优化，实现低工作电压下对不同尺寸微纳粒子的高效分选。研究介电泳技术用于对不同尺寸和介电属性微粒分选的机理，分析微通道中影响微粒运动的主要因素，并利用ComsolMultiphysics软件对分选过程进行有

6、限元数值分析和芯片结构优化。以优化后的非对称叉指微电极阵列和城堡型微通道结构的工作参数，制作介电泳微流控芯片，搭建实验平台进行微粒分选实验研究，对不同介电属性和尺寸的微纳粒子进行了有效分选。首先，研究利用介电泳技术进行微纳粒子分选的机理。阐述微流体的流动特点，根据偶极矩理论推导理想微球在直流电场和交流电场中所受的介电泳力，得出影响介电泳力的主要因素；仿真得到介质溶液中酵母菌和聚苯乙烯微球的频率响应曲线；分析微粒在介质溶液中的受力对微粒运动的影响，得出微粒运动轨迹方程。其次，建立二维有限元仿真模型并进行数值求解。研究了微通道

7、中电场、流场、介电泳力的分布规律；分析通道入口角度对微粒分选的影响；根据仿真结果对分选芯片微电极的形状、尺寸进行优化设计，得出介电泳芯片的最优结构和工作参数，预测微粒在通道中的运动轨迹。然后，分别设计、加工非对称叉指微电极阵列和城堡型微通道，封装得到介电泳芯片，测试芯片的工作性能。根据仿真计算得到的介电泳芯片优化结构参数，湿法刻蚀ITO叉指微电极阵列，分析微电极阵列工艺参数和加工缺陷的产生原因；软光刻加工城堡型微通道，设计便携式微泵对微通道的密封性、表面亲疏水等工作性能进行测试；等离子键合工艺得到三明治式介电泳芯片。最后，

8、搭建微流控实验平台，对两种不同介电属性和尺寸的微粒进行介电泳分选I实验。设计并搭建实验所需电信号模块、流体控制模块；配置介质溶液，配置合理浓度的酵母菌和聚苯乙烯微球介质溶液，实验研究酵母菌和聚苯乙烯微球的频率响应特性，单种微粒的运动实验，最后对实验结果进行分析总结。关键词：微粒分选，非对称电极，介电泳，