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【6h】

光诱导介电泳驱动下微米粒子动力学数值模拟

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摘要

芯片实验室是一种集微粒样品的输运、汇聚、分离和检测等多种操纵模式为一体化的微型芯片。作为操纵和分析微粒子的一项重要使能技术，光诱导介电泳技术兼备了介电泳技术非接触、无破坏及光镊技术灵活可控的优点而被逐渐应用到芯片实验室中，并成为了目前微粒操控技术领域的研究热点。鉴于实验设备工艺的复杂性和高昂的制作成本，利用数值模拟方法对微粒的光诱导介电泳现象进行仿真是探索和改进光诱导介电泳技术的重要手段，而寻找到精确、高效的模拟方法则成为其中的重点和难点。本文则提出了一种分子动力学仿真与有限元分析相结合的数值模拟法(MD-FEM)，有效解决了目前光诱导介电泳仿真中灵活性和时效性不足的问题，并成功实现了微米粒子光诱导介电泳捕获下的多粒子动力学的模拟和光诱导环形电极的参数优化。
　　 首先，本文分析了多场作用下的胶体微粒所受的介电泳力、静电力及流体力等微观作用力，建立了表征微粒运动特性的数学模型；接着，以光诱导介电泳芯片为模拟对象，建立了相应的有限元分析模型，并结合分子动力学仿真思想给出了MD-FEM模拟方法的一般流程。其次，本文介绍了光诱导介电泳微粒操纵平台的结构组成和工作原理以及介电泳芯片的加工工艺、物理模型和等效电路，并基于操纵平台和环形电极实现了微粒的捕获、输运和汇聚等操纵模式。然后，本文采用MD-FEM模拟方法，对电信号输入前后及虚拟电极输入前后的粒子分布形态进行了仿真，分析了各微观作用力对粒子运动规律的影响，解释了微粒的“珍珠串”结构，并通过对比性实验验证了模拟方法的正确性。最后，本文基于MD-FEM方法和操纵平台对不同参数的光诱导环形电极捕获聚苯乙烯微粒的过程进行了模拟和实验，分析了环形电极尺寸参数、信号电压及光晕厚度对粒子捕捉平衡时间的影响。
　　 模拟结果表明：在1MHz、20Vpp的电场环境及环形电极作用下，聚苯乙烯粒子(R=5μm)发生负介电泳现象，环内、外粒子基本成中心对称分布。当电极内半径由35μm增长至55μm时，粒子平衡后距环心平均距离(ADPC)增大了约13.7μm，系统平衡时间延长了约3.06s；并且当电极内半径小于30μm时，粒子发生堆叠现象。当电极厚度从10μm增长到30μm时，ADPC值略有减小，系统平衡时间略微增长。适当增大电极信号电压、限制光环过渡区域的厚度均有助于提高微粒系统的定位平衡效率，高斯函数较阶跃函数和线性函数能更好的模拟光环过渡区域。同时，对比性实验表明：仿真数据与实验结果的相对误差在允许误差范围内，仿真结论真实反映了微米粒子系统在光诱导介电泳现象中的运动趋势和规律。

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