基于介电泳的生物粒子分离芯片

在阐述介电泳基础理论研究成果基础上,研究了传统介电泳力、电动旋转介电泳力和行波介电泳的计算模型力,分析了克劳修斯-莫索提因子对正负介电泳的影响,给出了介电泳力的统一计算模型.研究了基于介电泳技术的多种类型的生物粒子分离芯片的研究现状,并从与芯片实验室的集成性、分离的准确性、分离对象多样性和分离对象的尺寸等综合指标,分析了基于微流体和介电泳混合作用、行波介电泳以及介电笼等方法构造的生物粒子分离芯片各自存在的问题,在此基础上提出综合应用行波介电泳和介电笼分离技术,建立面向200 nm～2 μm的微纳米生物粒子分离芯片,从而为建立满足分子芯片实验室需求的分离芯片研制提供了一个可行的方案.     

基于光诱导介电泳原理的粒子操纵研究

理论分析了溶液电导率和粒子直径对光诱导介电泳力的影响,针对光诱导介电泳对微球的操纵机理进行建模仿真。设计了光诱导介电泳芯片,通过激发光电导层的光电效应形成虚拟电极,同时施加高频交流电压,实现了对4μm和10μm聚苯乙烯微球的介电泳力操纵。最终微球在负介电泳力的作用下分别以8.8μm/s和35μm/s的速度运动。通过光诱导介电泳实现了对微球的无接触无损伤的操纵。     

一种微粒相互作用及其介电泳动力学仿真新方法

采用有限元法进行粒子电极化强度的计算,以此得到对应的介电泳力和次级介电泳力.粒子的极化强度依托软件COMSOL Multiphysics 5.3a的AC/DC模块计算得到,粒子追踪模块用于实现介电泳力、次级介电泳力、流体力,以及排斥力的粒子动力学仿真.AC/DC模块和粒子追踪模块的多物理场耦合新方法能够满足正、负介电泳...     

基于有效极矩法的非球形细胞高阶介电泳力研究

细胞承受介电泳力的运动模拟在微控研究占据着举足轻重的地位.传统细胞介电泳力的求解理想化地将细胞看作球体进行计算.近似求解忽略了细胞的高阶介电泳力作用,导致分子动力学仿真结果与实验观测存在较大误差.基于有效极矩方法研究了椭球和红细胞的高阶介电泳力.研究发现Pohl介电泳力表达式在球体计算中依旧有效.从1阶至9阶的高阶极子曲线来看,椭球和红细胞奇数项系数非零,且与它们的形状密切相关.中间凹陷两端凸起的红细胞介电泳力大小近似于偏心率1∶5型椭球.研究结果与Ogbi等学者的仿真完全相符.     

集成阵列叉指电极介电泳芯片仿真与实验研究

分析了介电泳芯片中粒子所受的介电泳力的影响因素,采用Comsol软件建立阵列叉指电极介电泳芯片的数学模型。通过设置边界条件,对电极的电场进行仿真并对电极的尺寸参数进行优化。为了对仿真结果进行验证,采用MEMS工艺,在ITO玻璃表面制备出叉指电极结构,并与PDMS微流通道键合之后制备出完整的介电泳芯片。采用酵母菌为实验对象,分别对交流电压以及交流电压频率对介电泳的富集效率的影响进行研究。富集效率随电极施加的电压的增大而增大;但增加到一定的程度,富集效率保持不变。改变交流信号的频率,可以改变介电泳的类型。通过调整交流信号的频率,实现了酵母菌的正负介电泳富集。酵母菌在电导率为1μS/cm的悬浮溶液中,存在两个临界频率,分别为40 k Hz、15 MHz。当交流电压的频率为2 MHz时,酵母菌细胞的富集效率最高。     

椭球粒子受光诱导介电泳的数值模型

基于分子动力学提出了一种光诱导介电泳控制椭球粒子运动的数值模型.研究了光电芯片中椭球粒子承受的光诱导介电泳和斯托克斯阻力,采用Runge-Kutta方法计算不同长宽比粒子的自转速度.采用COM SOL有限元计算电场,借助Velocity-Verlet算法模拟了粒子受介电泳的运动轨迹.仿真结果表明,粒子长宽比越大,转速越快;在28,30μm位置处的椭球粒子,受正介电泳力向光斑运动,且沿着电场强度梯度方向行进,最高速度可达到312μm/s.以上仿真的转动速度和运动轨迹都与实验保持了较好的一致性.     

基于光诱导介电泳技术的粒子分离研究

首先介绍了光诱导技术和介电泳技术的基础理论,并以此分析了光诱导介电泳的工作原理;其次,利用COMSOL Multiphysics软件建立仿真模型,对3种不同尺寸的圆环光斑产生的电场和介电泳力进行仿真,以验证光诱导介电泳技术分离粒子的可行性,同时为实验提供参考数据;最后,进行实验操作,验证利用光诱导介电泳技术分离粒子的正...     

介电粒子所受DEP力模型及相关参数分析

本文应用经典电磁场理论给出介电粒子在非均匀电场中的受力模型,在均匀电场和感应电场叠加原理的基础上,推导出了介电粒子在非均匀电场中的受力公式,进而推出在随时间呈正弦变化的电场和有损耗的媒介中粒子的受力公式．本文结论对运用介电泳理论实现粒子的定位、捕捉、输送、分类等操作具有重要意义．     

介电泳微流控制分离不同尺寸碳纳米管研究

采用介电泳微流控制技术,利用不同尺寸碳纳米管在流动介电液中受到的大小不等的介电泳力,从而产生不同运动轨迹实现分离.通过建立介电泳数学模型和微流控制通道几何模型,对不同尺寸碳纳米管的分离过程进行仿真研究.结果表明:电场强度、流体流速和碳纳米管受到的介电泳力在主通道内最大,不同尺寸碳纳米管的运动轨迹在主通道开始出现分离,最终从不同的出口流出;当交变电压从±5V到±30V逐渐增大时,入口1与入口2的流速和流速比也逐渐增大;相较于异丙醇,用去离子水做介电液,流体流速近似高一个数量级.     

纳米粒子介电泳的分子动力学模拟

为研究微流体环境下纳米粒子的介电泳现象并分析其介电泳特性,采用非平衡态分子动力学方法对纳米胶体粒子及其周围溶剂粒子进行建模.介电泳模拟之前,通过对系统能量和温度的趋衡过程进行模拟,使纳米胶体所处的微流体系统达到稳定状态,并得出系统能量以及温度变化过程的趋衡图.对纳米胶体模型施加非均匀电场,使胶体电偶极化.变化非均匀电场强度,研究胶体模型失效的一般规律.发现随着非均匀电场强度的增加,小离子有不断脱离大离子表面的趋势,胶体模型失效的临界电场强度参数为Eo=15s/(eó).此外,对不同极性的纳米胶体的介电泳现象进行模拟,发现在正介电泳情况下,胶体的电偶极距不断增大,且电偶极距大的胶体有较大的介电泳速度和位移.     

面向SWCNT-FET制造的介电泳装配技术

针对单壁碳纳米管(SWCNT)场效应晶体管(FET)制造过程中面临的SWCNT装配问题,采用介电泳技术实现SWCNT在微电极上的有效装配.对SWCNT在非均匀电场中所受到的介电泳力进行了相关理论分析,利用COMSOL多物理场耦合软件模拟了介电泳驱动电场,并做了大量装配实验,获得了高效装配SWCNT所需的实验参数.AFM扫描观测及电特性测试验证了这种方法的有效性,同时也为其他一维纳米材料纳电子器件的装配制造提供了借鉴.     

Single Cu nanowire assembled by microdroplet dielectrophoresis on ultrahigh tensible microelectrodes

At present, study on dynamic tensile properties and atomic chain fabrication of single nanowire, for understanding its dynamic tensile properties and unique physical properties of atomic chain to fabricate atom scale devices, is one of frontier research issues in nanoscale science. However, how to assemble single nanowire on a tensible microstructure becomes one of the most difficult problems, which severely restricts the develop- ment of this research field. In this paper, after the ultrahigh tensible microelectrode chip is fabricated by MEMS technology, hexamethyldisilazane is utilized to improve hydrophobicity of the chip, and then a microdroplet dielectrophoresis experimental platform and technology is developed to assemble single nano- wire on the sensible microelectrode. Experimental results show that accurate and efficient assembly of single Cu nanowire is realized, which contribute greatly to the further research of dynamic tensile properties and atomic chain fabrication. And for guiding the assembly experiments, finite element technology is also utilized to analyze the local microelectro field around the microelectrodes during dieletrophoresis experiments.     

Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images

The ability to manipulate biological cells and micrometre-scale particles plays an important role in many biological and colloidal science applications. However, conventional manipulation techniques--including optical tweezers, electrokinetic forces (electrophoresis, dielectrophoresis, travelling-wave dielectrophoresis), magnetic tweezers, acoustic traps and hydrodynamic flows--cannot achieve high resolution and high throughput at the same time. Optical tweezers offer high resolution for trapping single particles, but have a limited manipulation area owing to tight focusing requirements; on the other hand, electrokinetic forces and other mechanisms provide high throughput, but lack the flexibility or the spatial resolution necessary for controlling individual cells. Here we present an optical image-driven dielectrophoresis technique that permits high-resolution patterning of electric fields on a photoconductive surface for manipulating single particles. It requires 100,000 times less optical intensity than optical tweezers. Using an incoherent light source (a light-emitting diode or a halogen lamp) and a digital micromirror spatial light modulator, we have demonstrated parallel manipulation of 15,000 particle traps on a 1.3 x 1.0 mm2 area. With direct optical imaging control, multiple manipulation functions are combined to achieve complex, multi-step manipulation protocols.     

双人体耦合心电场被动式人体静电探测器中的电旋转效应分析

 静电探测器是通过检测目标的静电场而获得目标信息的探测器,利用静电场原理对目标进行探测的人体探测器是人体探测技术的重要应用。本文重点讨论利用介电泳技术对双人体耦合心电场的探测问题,并对电旋转检测效应进行分析与仿真。首先阐述了电旋转效应原理;其次分析了双人体耦合心电场特性及该电场中弧形四项检测电极的电场,并计算与之对应的介电泳力与转矩;最后利用有限元方法对检测电场及介电泳力进行建模与仿真。仿真结果清晰展示了3种特殊角度下的电旋转效应,与理论分析相一致。     

Dielectrophoretic assembly of carbon nanotubes and stability analysis

Nanoscale dimensions and remarkable properties of carbon nanotubes make them promising building blocks for nanoelectronics.One requirement is the need to manipulate single or multiple carbon nanotubes to bridge electronic conductors.In this paper,multi-walled carbon nanotubes with a variety of sizes are assembled onto electrodes using alternative current electric felds by dielectrophoresis.The effect of the dielectrophoretic parameters and the nanotube size as well as the length uniformity on the assembly is experimentally investigated.Current–voltage characteristics of assembled carbon nanotubes are measured.The experimental results showed that both the dielectrophoretic parameters and length uniformity of carbon nanotubes have an infuence on the stability of assembly results.Choosing uniform carbon nanotubes with an appropriate length and suffcient stiffness,which are more controllable by dielectrophoresis,is necessary for an assembly of a small number of carbon nanotubes.     

一种新型微纳无线湿度传感器的研制

研究了一种新型微纳无线湿度传感器的研制方法,该传感器是通过介电泳技术把znO纳米棒定位在自行设计的微电极中间.ZnO纳米材料具有巨大的比表面积和界面,利用ZnO纳米结构对湿度具有很好的吸附和解吸附性能可以制作一种湿度传感器.通过基本传感特性的测试,证实了该传感器具有良好的重复特性和较高的灵敏度.另外,通过GSM Modem,将该传感器与温度传感器相结合,制成一种家用无线温湿探测系统,能使用户很方便地了解室内的温湿信息.     

碳纳米管介电电泳排布仿真研究

建立碳纳米管介电电泳排布的数学模型,利用有限元方法模拟电场分布对介电电泳力大小和方向的影响,结果表明碳纳米管最终的沉积位置以及排布方向受电场方向及梯度的控制,已沉积碳纳米管影响局部电场分布导致与其他碳纳米管产生排斥作用,因此通过改变电场分布可以有效控制介电电泳力的方向与大小,实现碳纳米管的规律排布.     

微米及纳米级微粒的分离与操控研究进展

随着微/纳米技术的发展,寻求一种微/纳米粒子有效的分离操控技术是实现其应用的关键.本文综述了微/纳米级微粒分离操控的几种常用技术,并且着重介绍了介电泳的基本理论以及它在微/纳米级微粒分离操控的研究进展及其应用前景.