基于交流动电效应的微流体和微粒子输运数值模拟研究

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1、学校代码１０４５９学号或申请号２０１４１１１３００３７密级郅州土ｉ博士学位论文基于交流动电效应的微流＞体和微粒子输运数值模拟研究作者姓名：高晓博导师姓名：李玉晓教授学科门类：理学专业名称：粒子物理与原子核物理培养院系：物理工程学院完成时间：２０１８年９月＼AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorNumericalsimulationofmicrofluidictransportandm

2、icroparticlesmanipulationbytheACelectrokineticseffectBy:XiaoboGaoSupervisor:Prof.YuxiaoLiParticlePhysicsandNuclearPhysicsCollegeofPhysicalScienceandEngineeringSeptember2018学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研宄所取得的成果＝除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的

3、科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者曰期：训容年（上月衫曰学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被査阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论一文。本人离校后发表、使

4、用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：ｇ夂曰期ｔ从／年／月摘要摘要微流控芯片，也叫作芯片实验室，借助MEMS技术加工制作微通道网格，在微纳米尺度空间对流体和微纳米粒子进行驱动和操控，目的是将常规生物化学实验室中的样品进样，样品处理，分离筛选，检测分析等一系列功能集成到几平方厘米甚至更小的芯片上，从而有效地减少样品和试剂消耗，降低反应和分析时间，提高分析效率和通量，具有微型化，集成化，自动化，便携化等特点，在化学、生物、医药、微

5、纳米材料合成等科学技术领域获得广泛应用。为了实现微通道中微流体驱动和微纳米粒子操控，目前已经提出了各种类型的微泵。其中，交流动电微泵，主要包括交流电渗、交流电热和介电电泳效应，通过在微通道中集成微电极对阵列，在电极对上施加低压交变电场，能够驱动微流体流动、混合样品，实现微纳米粒子捕获、分离、聚集、筛选等操控。交流动电微泵具有易集成，没有运动部件，设计加工简单，效率高，抑制电极电解反应、温度变化小等优点，在微流控芯片的发展中具有极大的应用潜力。为了进一步提高交流电渗微泵的驱动流速，增强样品混合，本文利用数值计算研究了圆柱微通道

6、中基于非对称圆环电极对阵列的交流电渗微泵同时驱动和混合性能。交流电渗效应产生的机制是非均匀交变电场与电极表面双电层内的离子相互作用的结果。根据平面电极交流电渗微泵线性泊松-玻尔兹曼理论模型，本文提出了圆环电极表面双电层的等效空心圆柱电容器模型，得到电极表面的电荷守恒连续性方程和电渗滑移速度边界条件，联立电场和流场方程，建立三维圆环电极交流电渗微泵的线性泊松-玻尔兹曼模型。对于稀释强电解质溶液，利用Kohlrausch经验关系式建立电解液浓度和电导率之间的函数关系，研究电极表面双电层等效电容、阻抗比例因子等随电解液浓度的变化关

7、系。本文分析讨论了外加电场交变频率，电解液浓度，电极几何结构等对圆环电极交流电渗微泵驱动流速的影响，并且得到了流速最大时的最优几何结构。数值计算结果表明，相比于平面电极，圆环电极交流电渗微泵能进一步增强驱动流速，这与实验结果基本一致。在微通道中交流电渗流总是伴随着电极表面涡旋的产生，利用涡旋可以实现样品混合。根据建立的三维圆环电极交流电渗微泵理论模型，联立浓度场的对流-扩散方程，本文进一步研究了微泵对样品的混合性能。研究发现，当采用内外圆管入口方式时，圆环电极交流电渗微泵能够改善样品混合效率。这是由于I摘要内外圆管中两种不同

8、浓度的样品在涡旋作用下，能够在外部圆管区域和内部圆管区域之间进行交换，增强混合效率。对交流电渗流速度场，涡度场和浓度场的分析，合理地解释了混合机制。为了进一步增强微泵的混合效率，本文设计了不同圆环电极对的组合序列。本文数值研究表明，圆环电极交流电渗微泵，采用内外圆管入口方式，能够快速地驱动