交流电热流场对微纳粒子介电泳行为的影响

以叉指电极阵列为例,分别建立对称物理场、非对称物理场和行波物理场的有限元模型,求解三种情况物理场下微通道中的电场、流场、温度场和介电泳力的分布,分析交流电热流场的对流与传质过程对流场中微纳粒子介电泳的影响规律和干预方式。结果表明,对称物理场和非对称物理场内部均产生漩涡式扰动,增强了流场的对流与传质,可将处于介电泳有效作用范围之外的微纳粒子输送至电极附近区域,扩展了介电泳的实际有效作用区域。行波叉指电极阵列构建的流场则无明显漩涡,但行波物理场中介电泳力的衰减较慢,电极厚度60倍高度处衰减为10%,显著提高了对微纳粒子的操控和输送能力。

交流电热效应操控纳米粒子在芯片实验室中的应用(英文)

为寻求一种驱动电导率(大于0.02S/m)溶液的新方法,探讨了利用交流电热效应驱动高电导率微流体.根据交流电热效应理论,建立了交流电热粒子诱捕物理模型,利用仿真软件FEMLAB对其进行仿真分析研究,并通过实验对其进行验证.实验结果表明:利用特定的微电极芯片结构和交流电热效应,能驱动流体电导率高达1.53S/m的微流体,实现了在低电势下的粒子诱捕.利用交流电热效应驱动微流体,不仅能够实现对微粒的诱捕,而且输入信号电势低,受微流体影响小,容易与芯片集成.研究结果为设计交流电热效应芯片实验室提供了参考依据.

非对称电极交流电热泵的流体输运及混合

为满足微流控芯片在化学分析、细胞培养、药物测试等领域中流体驱动与混合的需要,对传统经典非对称交流电热泵进行改进,提出多种样式具有混合功能的非对称电极交流电热泵.通过COMSOL三维建模,对不同种类的电热泵在不同电压下的输运效率、温度和混合效率进行定性及定量分析,并对其中混合效率最高的交替倾斜偏向电极的角度偏转参数进行讨论.结果表明:几种改进的非对称电极交流电热泵可实现输运与混合双功能,其中倾斜交替偏向电极的混合效率明显优于其他样式;在有限的区域内以25°倾斜度时交替偏向电极的混合效率最高,此时在有效值为7.070 V交流电压下,泵送速度可达69.53μm/s,比传统无混合功能的非对称交流电热泵速度67.16μm/s高出3.5%.

交流电场增强的牛副结核快速血清免疫检测

人/动物发病初期的免疫检测在疾病诊断和防治领域具有重要意义.发病初期病患血清中抗体浓度较低,而传统检测方法单纯依靠抗体自身的随机运动使之与抗原结合发生特异性免疫反应,需要数小时甚至更长的时间才能识别出阳性血清,不利于疾病的快速诊断.因此加快对血清中低浓度抗体的检测速度是提高临床诊断效率的关键因素.本文提出基于交流电热和介电泳技术的血清中低浓度抗体快速检测的新方法,搭建"硅基底非对称平行电极阵列-PDMS微通道"微流控测试平台,以牛副结核为例,通过对免疫反应过程中"电极/血清"界面双电层电容的实时测量,以单位时间内电容的相对变化率为指标,成功分辨出阴性和阳性血清,检测时间仅为2 min.结合交流电场下微流体的流动和可极化粒子的介电泳理论,分析了免疫反应加快的机理.交流电场加速了微通道内抗体分子的对流和传质,大幅度提高了免疫反应效率,结合免疫反应方程,给出了免疫检测过程中微通道内抗体浓度变化的数值仿真,在理论上证明了快速血清免疫检测新方法的可行性.

点面电极系统低频流体驱动机理

为了弥补传统交流电动力学理论在解释微流体反向流动方面的不足,开发了一种新型三维点面电极系统并进行微流体驱动实验,分析了低频条件下电化学、交流电热等因素对微流体驱动的影响.实验结果表明,点面电极系统中广频范围内(10～3×106Hz)的微流体流动方向均为由点电极流向面电极,这一现象与利用交流电渗理论预测的流体流动方向相反.实验验证了低频条件下电化学反应在流体流动中的重要作用.结果表明,电化学反应是点面电极系统中低频条件下微流体流动现象的主要因素.

点面电极系统高频流体驱动机理

为了研究交流电场作用下微流体高频驱动机理,以点面电极系统为基础,进行了高于驰豫频率范围的交流电动微流体驱动实验,发现了这一范围内的明显流体流动现象.指出电热效应是点面电极系统中产生高频微流体流动的主要因素,分析了电热效应对点面电极系统中电导率分布的影响.以点面电极系统中的电荷守恒方程、传导与扩散方程、Navier-Stokes方程以及热对流和传导方程为基础,对点面电极系统高频流体驱动过程进行耦合及数值仿真分析,给出了点面电极系统中电场、温度场以及速度场的分布曲线.分析了电压、频率等因素对于高频流体驱动速度的影响,并与实验结果进行了对比分析.结果表明,点面电极系统中,交流电热效应导致的点面电极之间的电导率梯度与电场的综合作用,是该系统高频流体驱动的主要因素,机理分析与实验结果具有较好的一致性.

面向细胞培养的快速连续进样系统特性研究

在微流控技术领域,为了实现细胞培养技术中营养液的连续输送以及提供适宜的生存温度,将传统的交流电热泵进行改进,提出一种在非对称结构叉指电极的基础上施加外部温度冷偏置的方法,既降低了流体内部的温升,同时提高了营养液的传送速度。利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立二维模型,对无温度偏置、窄电极施加热偏置以及宽电极施加冷偏置进行数值仿真与实验验证,发现温度偏置的施加能有效加快流体流速,且施加冷偏置所达到的流速相较于传统电热泵有大幅提升,同时保证了细胞活性。

弧形阵列微电极对高电导率流体混合效率的影响

微流体交流电热效应混合是缩短药物筛选时间的有效手段之一.混合机制通常由微电极诱导流体内部产生温度梯度,从而形成涡流用于整个样品区域内的流体搅拌.但生物流体电导率偏高,交流电热的温升容易影响药物活性.因此,设计并封装一款环形微流体混合芯片,在不损失混合效率的前提下抑制流体的温升,揭示该芯片的混合性能,数值模拟与实验对微通道内两相流体的动态混合过程进行定量分析,并对模型几何参数、物理参数等条件进行优化研究.首先,利用Comsol仿真软件进行电场、温度场、流场以及稀物质传输场的强耦合仿真计算,以混合效率为目标函数,同时以温升上限作为约束条件,优化电压幅值以及微电极阵列的尺寸和分布.仿真结果表明,在给定电压下弧形微电极阵列的分布模式以及尺寸大小是影响混合效率的主要因素,电极对称/非对称分布诱导不同形式的非匀强电场空间分布,电极尺寸直接影响电场对流体的作用力范围.综合温升研究,仿真最优混合效率可达98.67%.然后,以优化的电极尺寸参数加工氧化烟锡微电极阵列,软光刻加工聚二甲基硅氧烷微通道.将上述带有特定微通道图案的PDMS与微电极玻璃基底封装后形成最终的微混合实验芯片.最后,使用电导率为0.2 S/m的蓝色染料溶液和去离子水缓冲液(经0.9%NaCl溶液调节电导率值)进行混合实验,微混合器混合效率可达93.16%.

面向生物流体泵送的AGET微泵性能优化评价

生物流体的进样和高效泵送是在微流控芯片上进行检测的基础。机械式微泵成本较高,具有复杂的结构并且很难微型化,而交流电热微泵不含运动部件,尺寸小,结构简单易于集成在微流控芯片上。现有对交流电热微泵性能的评价参数只有泵送速率,针对交流电热流场的特点,按照信噪比、净流速和泵送效率等无量纲评价参数设计一种低成本的面向生物流体的泵送装置,以交流电驱动微泵通道内的流体,实现对生物流体的可控泵送。利用多物理场耦合模型,优化交流电热微泵的结构,通过数值计算得出微泵的泵送速率表,对交流电热微泵的应用有重要的参考意义。