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介电泳微流控体芯片是BioMEMS研究的热点之一,其研究涉及多学科的交叉。目前,介电泳微流体芯片的设计主要采用反复试验的方法,缺乏针对控制系统各种参数及流场的理论分析,无法解释和优化现有的微流控系统。因此,本论文开展了介电泳微流控芯片的多物理场理论分析和实验研究。
本论文基于微流体理论,对介电泳生物芯片的电场/温度场进行了分析,计算了包括电渗流、电热流、外源受热、自然对流、布朗运动引起的速率场扰动,分析了电解和沸腾的临界条件。研究了各种因素在总速率场中所占的比重随外加电场的幅度、频率和被操纵颗粒性状的影响,并根据各类效应产生的速率模拟结果,绘制了速率图谱。考察了关键参量单独变化时对总速率场造成的影响,总结了介电泳芯片设计时的参数选取原则。最后,基于参数优化法则,研制了一系列性能优良的新型介电泳芯片。
文章提出了一种基于渐进展开的半解析方法完成微流体的多物理场计算,此方法适用于介电泳最常用的周期性边界条件。算法纠正了经典理论在边界条件上的过度化简,提高了仿真精度,并通过待定系数向量的运算降低了计算复杂度。在叉指电极的电场仿真运算中,又将该理论进一步完善,建立了三维模型。在该模型的框架下,结合低阶双曲耦合的办法化简复杂运算,求解出影响介电泳运动的主要因素,形成了一个比较完整的理论方法,为芯片的设计和优化奠定了基础。
利用半解析方法求出芯片的电场/温度场仿真结果,通过与商业软件COMSOL的结果对比,证实了结果比现有方法更加精确。依据微流体仿真结果得到的尺度效应规律,设计了系统参数优化的验证实验,研制了包括平行、叉指、螺旋等结构的介电泳阵列芯片,通过对不同直径的乳胶微球进行分选,验证了理论设计的合理性。最后,根据介电泳芯片优化原理,又提出了进一步的改善方案,研制了可应用于微粒分离和阻抗检测的生物芯片,得到稳定的实验结果。综合了介电泳力和微流场的作用效果,实现了对不同尺度微粒的特异性分离,分离效率达93％以上；用等效电路法从阻抗测试数据中提取特征参数后,表征了微粒的浓度。