微通道内非对称诱导电渗流与定比例颗粒聚集
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摘要
微流控系统允许成千上万个反应同时进行,通过组合不同浓度的反应物,便可高效地筛选出特定反应最佳的反应条件。尤其对于昂贵药品或稀有生物样本,传统手段远不能满足微量操作的要求,因此亟需能产生不同颗粒浓度的微流控方法。基于诱导电渗流(Induced-Charge Electroosmosis,简称ICEO)的颗粒聚集是一种崭新的微流控操纵手段,其灵活性与易集成性已引起广泛关注。本文提出了一种基于ICEO的定比例颗粒聚集手段,在微通道底部平行布置不接电的宽、窄金属板(电势悬浮,即悬浮电极),对悬浮电极两侧的激发电极施加交流信号。在电场的诱导下,悬浮电极表面的双电层滑移引起空间ICEO漩涡。宽、窄电极激发大、小规模不同的电渗漩涡,两漩涡在微通道内非对称分布,并分别在对应的电极表面上聚集数量成比例的两股颗粒束。通过推导正弦稳态时ICEO在电极表面滑移速度,以及对通道内稳态流场进行数值模拟,解释了非对称电渗流的成因及流速分布:电极表面的对向流动与电极边缘处的快速流动导致了空间流场;因此ICEO流速在电极边缘取得最大,在电极中央最小,沿流线以指数形式衰减。在此基础上分析了典型颗粒的受力,提出适宜于颗粒聚集的理想滑移速度分布曲线。通过研究主要参数对滑移速度分布的影响,预测了能有效实现颗粒成比例聚集的操作范围。最终通过实验证明低频时宽电极表面有颗粒聚集行为,而窄电极表面的颗粒随ICEO漩涡不停转动;升高频率则可在宽、窄电极上同时实现稳定的颗粒聚集,颗粒聚集比例与电极宽度比一致,可进一步生成不同浓度的颗粒流。
引文