基于热浮力流的粒子定比例收集机理与实验研究
发布时间：2021-01-25 11:11
随着科学技术的迅速发展,微流控技术越来越广泛的应用于粒子的收集和精准操控。热驱动方式在粒子收集和操控技术中已经被证明是适用且高效的,而热浮力流就是其中一种。热浮力流的诱发方式有多种,其中利用微电极加热的方式具有热源容易获得、操作原理简单等诸多优点且在粒子定比例收集方面,该方式的研究和应用较少。因此,本文研究了基于热浮力流作用的粒子定比例收集机理以及开展了部分实验的研究,可为快速实现多级浓度实验试剂提供一种新的解决方案。首先,通过对热浮流模型的传热分析,阐述了热浮力流模型中热量的产生和传递过程,建立了模型中固体和流体部件的温度分布方程,进而分析流体作用力,利用斯托克斯公式和流体连续性方程建立了流体流速方程,进一步阐述了热浮流的形成和热浮力流作用下粒子捕获的三个过程。此外,通过对单个粒子的受力分析,利用牛顿第二定律确定了粒子在不同捕获阶段的动力学方程,并且通过对粒子在流体内的通量变化分析,利用欧拉法建立了粒子群运动的微分方程。然后,设计了热浮力流微流控芯片的结构,利用COMSOL Multiphysics软件对电极形状与尺寸参数进行仿真,分析了不同电极形状与尺寸参数对流体温度与流速分布的影...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圣诞树通道结构[23]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-1圣诞树通道结构[23]哈尔滨工业大学刘江伟[26]利用诱导电荷电渗的方法在微流控芯片上实现了微颗粒的定比例收集，如图1-2，利用非对称的宽、窄悬浮电极在诱导电极作用下发生诱导电渗漩涡，由于该漩涡始于宽、窄电极边缘且在电极宽度大于150um后，旋涡向外延伸几乎不变，从而使得能够收集到宽、窄电极上方与其同宽度的粒子带范围，因而实现了定比例收集。但该方法与诱导电极在微通道内产生的电场强度有关，这需要对通道宽度进行限制，这与信号发生器能够输出的最大电压幅值有关。当通道宽度较宽时则需要更大的电压幅值，这与微流控芯片的低耗能违背。图1-2诱导电荷电渗粒子定比例收集[26]1.2.2微颗粒操纵方式微颗粒的操纵方式有多种：机械操控法[27]、化学操控法[28]、光学操控法[29]、磁学操控法[30]、声学操控法[31]、电场操纵方法、热场操纵方法等。在众多的粒子操控方法中，基于电场操控的方法最为成熟，这其中就包括电泳法[32]、介电泳法[33]、交流电渗法[34]、诱导电荷电渗法[35]等，但基于电场的操纵方法容易受电导率的严格限制，大都需要在流场内产生较强的电场，这就需要施加的电压幅值较大；基于热场的粒子操纵方法具有热源容易获得，操作原理简单，能够实现大规模，任意位置聚集的优点，主要包括：热泳法、热浮力流法和热毛细对流法等。B=4分支点B=5B=7B=8B=9B=3B=6
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-1.2.2.1粒子的电场操控方法电泳法是利用高压直流电对粒子进行相关操作，如图1-3当电极两端施加电压时由于每个粒子所带电荷的数量和极性不一样，运动速度不同，因此不同的粒子会在不同的时刻移动到电极两侧的不同位置。这种方法在早期技术中应用较多、较为广泛，其优点是无需将微电极加入到通道内部，制造简单，但是其设备较大，能量消耗多，操作步骤复杂且繁多，并且在对粒子的操作过程中容易产生电解气泡，会有衍生物产生而且会有大量的热量产生，在现在的粒子操控收集技术中已经很少使用。图1-3电泳原理[32]交流电渗是通过在流场内施加交流电操纵粒子的一种电场操纵方法。电渗是指流体内施加电场，多孔物吸附离子而使溶液带电，溶液随漩涡移动[36]。在电场作用下带电固体表面会形成双电层，双电层的强弱随着电场强弱有密切关系。当固-液截面吸附电荷时，界面形成的双电层视为非均匀分布的电容，电容的电势按指数衰减。如图1-4所示，微通道内对称布置微电极，在电极上施加交流电，对称布置的微电极表面在电场的作用下形成双电层，并形成电渗漩涡。由于流体具有粘性，当流体随漩涡循环流动时，流体内的粒子也会跟随流体随漩涡移动，最终在微电极表面上粒子受力平衡达到稳定状态而聚集在微电极表面。图1-4交流电渗原理图[34]不同带电粒子E对称电极交流电源对称电极
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控芯片概念与特点、应用[J]. 生物医学工程与临床. 2018(05)
[2]声操控微粒研究进展[J]. 蔡飞燕,孟龙,李飞,郑海荣. 应用声学. 2018(05)
[3]基于微流控芯片的核酸检测技术[J]. 姚梦迪,吕雪飞,邓玉林. 生命科学仪器. 2017(04)
[4]微流控芯片电泳在食品安全与环境污染检测中的应用[J]. 吴晶,黄伶慧,王远航,李风云,蒲巧生. 分析测试学报. 2015(03)
[5]微流控芯片在水环境污染分析中的应用[J]. 王虎,魏俊峰,郑国侠. 应用生态学报. 2014(04)
[6]微流控芯片子宫[J]. 李伟萱,梁广铁,严伟,张琼,王维,周小棉,刘大渔. 分析化学. 2013(04)
[7]磁场对双层流体热毛细对流发展的影响[J]. 周小明,黄护林. 南京航空航天大学学报. 2008(02)
[8]温度场内可吸入颗粒物运动特性的实验研究[J]. 杨瑞昌,周涛,刘若雷,赵磊,刘京宫. 工程热物理学报. 2007(02)
[9]Characters of surface deformation and surface wave in thermal capillary convection[J]. DUAN Li, KANG Qi & HU Wenrei National Microgravity Laboratory/CAS, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2006(05)
[10]基于磁泳的生物分离分析技术[J]. 车津晶,万谦宏. 化学进展. 2006(Z1)
博士论文
[1]病原体核酸一体化并行检测微流控芯片研究[D]. 朱灿灿.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]基于诱导电荷电渗的粒子定比例收集机理与实验研究[D]. 刘江伟.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于微流控芯片的环境污染物快速免疫检测技术[D]. 程锴萍.复旦大学 2013
[3]微流控浓度梯度芯片的研制及其在药物诱导细胞凋亡中的应用[D]. 仵颖璠.东北大学 2010
本文编号：2999126
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圣诞树通道结构[23]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-1圣诞树通道结构[23]哈尔滨工业大学刘江伟[26]利用诱导电荷电渗的方法在微流控芯片上实现了微颗粒的定比例收集，如图1-2，利用非对称的宽、窄悬浮电极在诱导电极作用下发生诱导电渗漩涡，由于该漩涡始于宽、窄电极边缘且在电极宽度大于150um后，旋涡向外延伸几乎不变，从而使得能够收集到宽、窄电极上方与其同宽度的粒子带范围，因而实现了定比例收集。但该方法与诱导电极在微通道内产生的电场强度有关，这需要对通道宽度进行限制，这与信号发生器能够输出的最大电压幅值有关。当通道宽度较宽时则需要更大的电压幅值，这与微流控芯片的低耗能违背。图1-2诱导电荷电渗粒子定比例收集[26]1.2.2微颗粒操纵方式微颗粒的操纵方式有多种：机械操控法[27]、化学操控法[28]、光学操控法[29]、磁学操控法[30]、声学操控法[31]、电场操纵方法、热场操纵方法等。在众多的粒子操控方法中，基于电场操控的方法最为成熟，这其中就包括电泳法[32]、介电泳法[33]、交流电渗法[34]、诱导电荷电渗法[35]等，但基于电场的操纵方法容易受电导率的严格限制，大都需要在流场内产生较强的电场，这就需要施加的电压幅值较大；基于热场的粒子操纵方法具有热源容易获得，操作原理简单，能够实现大规模，任意位置聚集的优点，主要包括：热泳法、热浮力流法和热毛细对流法等。B=4分支点B=5B=7B=8B=9B=3B=6
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-1.2.2.1粒子的电场操控方法电泳法是利用高压直流电对粒子进行相关操作，如图1-3当电极两端施加电压时由于每个粒子所带电荷的数量和极性不一样，运动速度不同，因此不同的粒子会在不同的时刻移动到电极两侧的不同位置。这种方法在早期技术中应用较多、较为广泛，其优点是无需将微电极加入到通道内部，制造简单，但是其设备较大，能量消耗多，操作步骤复杂且繁多，并且在对粒子的操作过程中容易产生电解气泡，会有衍生物产生而且会有大量的热量产生，在现在的粒子操控收集技术中已经很少使用。图1-3电泳原理[32]交流电渗是通过在流场内施加交流电操纵粒子的一种电场操纵方法。电渗是指流体内施加电场，多孔物吸附离子而使溶液带电，溶液随漩涡移动[36]。在电场作用下带电固体表面会形成双电层，双电层的强弱随着电场强弱有密切关系。当固-液截面吸附电荷时，界面形成的双电层视为非均匀分布的电容，电容的电势按指数衰减。如图1-4所示，微通道内对称布置微电极，在电极上施加交流电，对称布置的微电极表面在电场的作用下形成双电层，并形成电渗漩涡。由于流体具有粘性，当流体随漩涡循环流动时，流体内的粒子也会跟随流体随漩涡移动，最终在微电极表面上粒子受力平衡达到稳定状态而聚集在微电极表面。图1-4交流电渗原理图[34]不同带电粒子E对称电极交流电源对称电极
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控芯片概念与特点、应用[J]. 生物医学工程与临床. 2018(05)
[2]声操控微粒研究进展[J]. 蔡飞燕,孟龙,李飞,郑海荣. 应用声学. 2018(05)
[3]基于微流控芯片的核酸检测技术[J]. 姚梦迪,吕雪飞,邓玉林. 生命科学仪器. 2017(04)
[4]微流控芯片电泳在食品安全与环境污染检测中的应用[J]. 吴晶,黄伶慧,王远航,李风云,蒲巧生. 分析测试学报. 2015(03)
[5]微流控芯片在水环境污染分析中的应用[J]. 王虎,魏俊峰,郑国侠. 应用生态学报. 2014(04)
[6]微流控芯片子宫[J]. 李伟萱,梁广铁,严伟,张琼,王维,周小棉,刘大渔. 分析化学. 2013(04)
[7]磁场对双层流体热毛细对流发展的影响[J]. 周小明,黄护林. 南京航空航天大学学报. 2008(02)
[8]温度场内可吸入颗粒物运动特性的实验研究[J]. 杨瑞昌,周涛,刘若雷,赵磊,刘京宫. 工程热物理学报. 2007(02)
[9]Characters of surface deformation and surface wave in thermal capillary convection[J]. DUAN Li, KANG Qi & HU Wenrei National Microgravity Laboratory/CAS, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2006(05)
[10]基于磁泳的生物分离分析技术[J]. 车津晶,万谦宏. 化学进展. 2006(Z1)
博士论文
[1]病原体核酸一体化并行检测微流控芯片研究[D]. 朱灿灿.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]基于诱导电荷电渗的粒子定比例收集机理与实验研究[D]. 刘江伟.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于微流控芯片的环境污染物快速免疫检测技术[D]. 程锴萍.复旦大学 2013
[3]微流控浓度梯度芯片的研制及其在药物诱导细胞凋亡中的应用[D]. 仵颖璠.东北大学 2010
本文编号：2999126
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