数值模拟在声表面波微流控微粒操纵中的初步应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fuqiang1986
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微流控技术是一门专门用于研究和处理微量液体(10-9到10-18L)的技术。在实验中使用到的微流控平台其通道尺寸通常在数微米以及数百微米之间,器件的微型化使实验能获得更精确的样品分析信息。在微流控中,微粒的操控(如细胞、微液滴、磁珠等)受到广泛的关注。目前,科学家已经基于流体通道、电学、光学、热学及声学等不同方面,提出微粒的操控方法。声学技术作为一种微流控芯片中的操纵手段,可以运用在细胞检测和筛选、液滴的捕获和操纵等方面。声表面波微流控芯片具有与微粒非接触,几乎可以对所有类型粒子进行操作等优点。然而,目前有关声表面波微流控器件数值模拟方面的工作比较缺乏。这种状况就造成了:声表面波微流控器件的设计基本取决于经验,人们往往难以对声表面波微流控器件的使用条件及操控效果做出预估。因此本论文以声表面波微流控芯片中的微粒操控作为研究对象,通过COMSOL软件,建立微粒在声驻波场中的数理模型;通过与实验现象结合,获取数理模型中的关键参数。本论文的主要研究成果及内容,概述如下:  第一,实验室与声表面波相关的研究还未起步,因此摸索了基于铌酸锂压电陶瓷的微流控芯片的加工工艺,制作完成了声表面波微流控器件。  第二,搭建了声表面波驱动装置(15~40MHz,最大输出功率36dBm)以及完善射频信号阻抗匹配的方法。  第三,在COMSOL有限元模拟软件中,通过耦合流场及声场,建立了微粒受力的数学模型。针对模型中声能量密度(Eac)等未知参数,通过数值模拟与实验相结合的方式,求取Eac大小,并探究其与器件及施加功率的关系。  第四,针对目前声表面波微流控芯片中分选效率较低(最大偏移距离λ/4)的现象,提出了相位筛(phasesifter)的概念,通过改变功率源相位,进而加大微粒的分离距离,提高了分选效率。并在仿真和初步实验中验证了这一想法的可行性。  综上所述,本论文将数值模拟初步应用于声表面波微流控微粒操纵中。希望本论文的研究成果能对基于声表面波的微粒操纵起指导作用,并有助于声表面波微粒分选器件及实验的设计。
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