基于诱导电荷电渗的粒子定比例收集机理与实验研究

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1、硕士学位论文基于诱导电荷电渗的粒子定比例收集机理与实验研究MECHANISMANDEXPERIMENTALRESEARCHONSCALEDPARTICLEFOCUSINGUTILIZINGINDUCEDCHARGEELECTROOSMOSIS刘江伟哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：O359学校代码：10213国际图书分类号：532密级：公开工学硕士学位论文基于诱导电荷电渗的粒子定比例收集机理与实验研究硕士研究生：刘江伟导师：任玉坤副教授申请学位：工学硕士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:O359U.D.C:532DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMECHANISMANDEXPERIMENTALRESEARCHONSCALEDPARTICLEFOCUSINGUTILIZINGINDUCEDCHARGEELECTROOSMOSISCandidate：LiuJiangweiSupervisor：AssociateProf.RenYukunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：

3、MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要微流控系统允许大量反应同时进行，通过组合多级浓度反应物，可高效筛选最佳反应条件。传统手段不能实现稀有样品的微量精密操作，目前亟需多级浓度的微流控生成方法。多级浓度生成的核心单元便是定比例粒子收集，而电控诱导电渗流发生于不加电

4、的悬浮电极表面，电渗规模依赖于悬浮电极尺寸，因此可实现数目成比例的粒子收集。本文拟通过研究诱导电渗流的流动特性、电控行为及几何特征对粒子收集的影响规律，实现定比例粒子收集。首先，本文提出了一种基于诱导电渗的定比例粒子收集方法，即在通道内施加交变电场，沉积于通道底部的宽、窄金属片(悬浮电极)激发非对称电渗漩涡，在对应的电极表面上收集到数目成比例的两束粒子条带。其次，基于相量法推导了正弦稳态时滑移流速的解析形式，对微通道内的电渗流场数值求解，揭示了非对称微漩涡的产生机制及其流速分布规律，阐明了流动停滞区与粒子收集现象的关联特征。研究了诱导电渗的电信号响

5、应特性，结合其他多物理场-粒子作用机制，提出了定比例收集模型与适宜于粒子收集的理想滑移流速轮廓。通过变换电压幅值或频率搜索尽量逼近理想轮廓的电信号取值，设计了定比例粒子收集实验的电信号操作区间。再次，从实验器件的关键尺寸入手，提出了漩涡范围判据，分析了诱导电渗流的几何特性，并依托前述结果设计了非对称电极系统。通过综合考虑加工与实验操作等因素，完善了三组基于非对称电极系统的微流控器件总体方案。研究了电导率和压力驱动流流量等关键实验参数对粒子收集的影响，优选了参数取值。针对实验对器件的大批量需求，提炼了电极与通道并行的加工路线，大幅提高了制造效率。搭建

6、了具备信号发生、微量进样、显微观测以及计算处理等功能的实验系统。最后通过静态、动态和大跨度浓度三组实验验证并修正了理论模型。静态实验确认了电信号工作区间选取的有效性，通过测量条带宽度变化为动态实验验证了压力驱动流取值。动态实验展示了粒子收集器件的电控特性，可作为执行机构与粒子计数器构建闭环控制系统。通过大跨度浓度级次实验证明串联方式在生成浓度跨度与种类上的优越性。因此，电控诱导电荷电渗定比例粒子收集与分离方法在多路反应与多级浓度生成方面具有广阔的应用前景。关键词：微流控；多级浓度；诱导电荷电渗；微漩涡；粒子收集-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文A

7、bstractThemicrofluidicsystemallowsaseriesofreactionstobecarriedoutsimultaneously,whichareimpartedanascending/descendinganalyteconcentrationstoevaluatetheoptimalcondition.Theconventionalmethodscanhardlysatisfythedemandofmicrovolume,soitisnecessarytoproducediscreteconcentrations

8、inmicrofluidicplatform.Thekeycomponentofgeneratingdiscretecon