基于Resistive-Pulse技术的微米孔内颗粒输运研究

发布时间：2018-01-10 14:38

  本文关键词：基于Resistive-Pulse技术的微米孔内颗粒输运研究　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 径迹刻蚀 微米孔 Resistive-Pulse技术 阻塞电流 过孔时间

【摘要】：自1950年代发明至今,Resistive-Pulse检测技术凭借其实验操作简便、超高通量、信号可重复性好、检测精度高并能实现单个颗粒特征的有效识别等明显优势,广泛应用于生物分子、病毒、颗粒和细胞等物质的检测。检测物质的尺寸范围从纳米到微米量级,在基因测序、病毒检测和疾病预防与治疗方面具有广阔的应用前景。为了模拟病毒和细胞的过孔检测,本文中我们基于Resistive-Pulse方法使用径迹刻蚀的微米孔对不同人工合成颗粒的过孔特征进行了检测。借助人工颗粒的检测研究,我们可以简化生物颗粒的过孔情况,进而发现一般性规律,并揭示潜在的物理图景,从而为生物物质检测研究提供必要的参考。Resistive-Pulse技术通过测量颗粒过孔信号的阻塞电流幅值和过孔时间可以对其尺寸和表面电荷属性进行检测。作为实验中的主要组成部分,待测颗粒和微米孔的特征对实验结果具有重要影响。围绕如何进一步提高Resistive-Pulse技术对颗粒尺寸和表面电荷特征的测量精度,并拓展检测技术的使用范围,本文中考虑了颗粒形状、颗粒表面电荷密度和微米孔形状等3个重要因素对颗粒过孔信号特征的影响,并得到了 5个方面的主要创新成果。1.颗粒形状对颗粒过孔阻塞电流的影响。借助内壁粗糙的微米孔,检测了球状颗粒和两种不同长度的棒状颗粒。结果显示在得到的离子电流信号内包含着过孔物体的长度信息。通过将实验中的阻塞电流幅值与基于颗粒体积的理论预测对比,发现短棒状颗粒在过孔时会发生旋转,引起一个较大的体积占位并产生较大的阻塞电流幅值。进而,实现了相似体积的球状颗粒与棒状颗粒的成功分辨。2.颗粒表面电荷密度对其过孔时间的影响。检测了两种不同带电属性的颗粒在不同pH溶液内的过孔速度。发现颗粒的过孔速度与其表面电荷密度具有复杂的对应关系。强带电表面颗粒的过孔速度随着溶液pH的升高而出现异常下降。我们认为这主要是由于以下三方面共同作用的结果:i.表面的离子凝聚,ii.颗粒表面的非对称双电层,iii.孔和颗粒带电表面形成的电渗流。此外,通过测量不同电场下的强带电颗粒的阻塞电流信号,实验验证了颗粒表面离子凝聚现象的出现。3.颗粒表面电荷密度对其阻塞电流的影响。通过检测三种不同带电属性的颗粒在pH8和pHI0溶液内的阻塞电流幅值。发现400 nm强带电颗粒可以产生较同尺寸中性颗粒明显增加的阻塞电流信号。通过数值模拟,发现强带电颗粒在过孔过程中会产生对孔内离子浓度的调整。故而,所观测到的强带电颗粒的阻塞电流幅值不仅反映了过孔颗粒的物理体积,还包含了其过孔过程所产生的离子排除区域的体积。而在高浓度盐溶液中,强带电颗粒产生的阻塞电流幅值与同体积中性颗粒的相同。4.孔的形状对颗粒过孔时间的影响。通过使用内径不均的微米孔,发现直径-400 nm的颗粒在粗糙圆柱孔内的过孔时间具有方向特异性,即颗粒从孔的不同方向过孔时所需时间不同。我们认为这主要是由于颗粒从不同方向过孔时汇聚到孔轴线的程度不同,导致颗粒过孔时所选路径具有方向相关性。借助内径不均的微米孔我们展示了一个颗粒过孔时间方向特异性最简单的系统。5.孔的形状对颗粒过孔阻塞电流的影响。借助锥形微米孔,发现了孔内颗粒过孔阻塞电流幅值的方向特异性。当中性颗粒从孔的大端进入时,其产生的阻塞电流幅值要比从小端进入时产生的大。而带电颗粒却当从小端进入时具有较大的阻塞电流幅值。通过数值模拟,发现这一现象与孔内电压调节的离子浓度分布有关。在一个电压下,如果孔内形成离子排除区域,就会造成颗粒阻塞电流幅值升高。反之,如果孔内的离子浓度有所增加,那么其阻塞电流幅值便会降低。
[Abstract]:In this paper , the influence of particle shape , particle surface charge density and pore size on particle size and surface charge property has been studied .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q-33

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本文编号：1405673