基于聚焦型声表面波的粒子分选微流控芯片设计与实验研究

发布时间：2020-10-17 05:52

　　 微流控芯片因具备微型化、便携化、成本低、试剂消耗少的优势,在生物、化学、材料学、医学等领域受到学者们的广泛关注。当前,随着微流控技术的日益成熟,微流控芯片已逐渐展现出取代传统生化、医学领域所实现的各样功能的趋势,如检测、细胞定位、分选、混合、反应等。其中分选作为重要的功能之一,对药物合成、药物开发、医学检测、诊断学等领域均有重要意义。本文基于微流控技术,提出一种流道表面经浸润性处理的聚焦型声表面波微流控分选芯片,通过调节流速、输入功率等控制参数,实现粒子间的分离、分选。全文具体研究工作有:论述了声表面波器件的组成及其工作原理,对比材料性能,采用128°Y-X铌酸锂作为声表面波器件的基底材料,然后初步确定聚焦型叉指换能器的指间宽、指间距、叉指对数、聚焦角度、聚焦长度及叉指换能器材料,随后进行悬浮颗粒在声场中的受力分析,最后介绍了浸润性相关理论。基于COMSOL仿真软件对声表面波器件进行模态、谐响应及瞬态分析,然后根据聚焦型叉指换能器参数,对其进行叉指对数、聚焦长度及聚焦角度分析。随后对流道入口的流速比进行仿真分析,确定三个入口最佳流速比率,在此流速比下,通过改变流速分析粒子在流道内的运动情况,并最终确定分选流道的最佳平均流速为4mm/s。根据理论及仿真分析结果,设计并制作粒子分选芯片,用于分选两种及三种类型的粒子。首先采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)制造技术进行声表面波器件和流道下模板的制作,随后设计微流道系统模具,并采用模塑法制作三个PDMS微流道系统,其中微流道表面分别采用超亲水处理、超疏水处理及不进行处理,然后采用自然键合法分别完成三种表面的微流道与声表面波器件的键合,最后经后续处理得到微流控分选芯片。本文利用设计制作的聚焦型声表面波微流控分选芯片进行实验研究。首先设计实验方案并搭建实验平台,进行了声流效应测试及三种流道表面对粒子的黏附性实验,基于该实验分别进行了不同输入功率及平均流速下粒子的偏转实验研究,最终通过调整输入功率进行直径1μm,10μm与直径1μm,5μm,10μm粒子的分选实验。实验结果表明:在输入能量一定时,随着分选流道平均流速的减小,10μm粒子偏转距离逐渐增大;与此相同,在分选流道平均流速一定时,随着输入能量的增加,10μm粒子偏转距离也逐渐增大。此外,声表面波分选芯片对小直径粒子几乎无影响,仅当粒径一定时声表面波才会使粒子产生偏转。且在工作频率f=131.83MHz、输入功率P=200m W、分选流道平均流速va=4mm/s时,该芯片可以实现1μm,10μm粒子的分选,且分选效率高达91.9%,这也验证了该芯片具备良好的工作性能。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN492
【部分图文】：

流表面表面 5一实造尔表沃尔，并一流控芯片的发面波技术面波技术0 年代末期种，其在提实际应用，但造压电单晶，于 1949 年表面波技术的尔特默（F.并取得了声步发展及应发展趋势。术在微流术概述期英国学者瑞提出初期，由但随着半导体这为该类声年发现了铌酸的平面结构W. Votmer声表面波技术应用。流控领域应瑞利首次提由于受制于体技术及激声表面波技酸锂（LiNb构换能器专利r）在 1965术的关键性应用的概提出瑞利波于当时科学技激光技术的迅技术的研究奠bO3）单晶利。此外，美年首次研制性突破，在很概述（Rayleigh技术及工艺迅速发展，奠定了坚实，随后在美国物理学制出表面波很大程度上h W艺水市实的19学家波声上推

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本文编号：2844378