基于交流電熱的微流體混合芯片研究.pdf

1、快速爆發(fā)多種傳染性疾病，如艾滋病、瘋牛病、埃博拉病毒等，給經(jīng)濟(jì)社會帶來巨大損失。早期檢測效率低、檢測難度大是上述疾病得以蔓延的主要原因，而解決這一問題的根本手段則是提高甄別疾病的免疫檢測效率。傳統(tǒng)免疫檢測中，抗原-抗體之間的結(jié)合僅靠自由擴(kuò)散完成，耗時長、陽性率低。因此，如何通過合理的方式提高二者的結(jié)合速度進(jìn)而提高檢測效率與精度，則是目前疾病快速診斷面臨的一項艱巨任務(wù)。基于微流控的快速混合技術(shù)，有望通過流體的輸運(yùn)將抗原-抗體之間的結(jié)合速度

2、大幅度提高，進(jìn)而實現(xiàn)一些疾病的早期快速診斷與預(yù)警的目的。
　　本文面向交流電熱誘導(dǎo)的快速混合技術(shù)開展研究，擬通過對微尺度電極施加交流電場產(chǎn)生的交流電熱漩渦，實現(xiàn)微通道中高電導(dǎo)率溶液的混合。該微混合結(jié)構(gòu)采用了三維電極結(jié)構(gòu)，較大的提高了結(jié)構(gòu)的樣品通量，進(jìn)而加快檢測速度，提高效率。首先對交流電熱相關(guān)理論進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了在交流電場下，高電導(dǎo)率溶液受到的體積力（線性模型下和強(qiáng)耦合模型下的交流電熱力）的表達(dá)式，并對交流電熱力中的庫侖力和介電

3、力進(jìn)行了理論和仿真計算分析。
　　其次，比較線性和強(qiáng)耦合模型對結(jié)構(gòu)中流場和溫度場的影響，利用強(qiáng)耦合模型針對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(電極的布置方式、電極尺寸極其非對稱性、周期間隙、施加電壓方式等)進(jìn)行了二維仿真優(yōu)化。同時結(jié)合實際芯片的外界條件進(jìn)行了三維仿真優(yōu)化，并分析了buoyancy力的影響，得出較準(zhǔn)確的混合效果變化規(guī)律。
　　再次，根據(jù)仿真優(yōu)化后的三維微混合芯片參數(shù)，利用光刻工藝分別加工完整的微混合芯片。分別進(jìn)行了熒光微球溶液的流場

4、實驗和熒光素溶液的微混合實驗，發(fā)現(xiàn)在頻率低于500kHz或者電壓高于150Vpp左右時，極易產(chǎn)生氣泡，影響實驗。在1MHz頻率下，電壓達(dá)到125Vpp時，漩渦中間位置流速達(dá)到峰值91μm/s。微混合實驗中，在入口流速為0.364μl/min時，分析了不同電壓頻率對混合效果的影響。在施加頻率為1.5MHz，電壓峰峰值為137.5Vpp時，混合效率達(dá)到96％左右。最后對仿真和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的比較，分析了產(chǎn)生相關(guān)差異的原因。進(jìn)一步驗證了該