光诱导介电泳微操纵过程中的光电旋转

本文从电路模型、有限元建模和分析及物理实验三个方面,深入理解并首次验证了在光诱导介电泳芯片中因光电增益不仅存在因亮暗分压（电场幅值非均匀分布）而产生的第一类光诱导介电泳力,而且还存在由亮暗相位差（电场相位非均匀分布）而产生的第二类光诱导介电泳力,以及因存在光致旋转电场而产生的光诱导电旋转现象,解决了目前介电泳力理论计算因采用仅考虑光致分压效应的简化电偶极矩模型而造成实际光诱导介电泳力被低估的困局．同时通过对相应过程的有限元数值模拟,以及酵母菌细胞的光控电旋转实验确认了光诱导电旋转现象的真实存在,得出了光诱导电旋转转向与微粒相对于光电极边缘的位置有关且对应旋转速率与二者相对距离成反比的一般规律,并发现在三电极式光诱导电旋转芯片结构中对应扭矩分布极不均匀且相应位置的光诱导介电泳力不利于对应微粒的定轴旋转．为此,提出了具有对称相位角分布的双层四电极式光诱导电旋转设计方案,为后续光诱导介电泳芯片实现生物粒子微操纵与介电频谱测量一体化提供了必要的理论准备及技术支撑．     

基于光诱导介电泳的微粒子过滤、输运、富集和聚焦的实验研究

在继承传统介电泳技术在微纳米生物粒子操纵领域优势的同时,如何提供动态可重构微电极并降低制作成本,成为解决介电泳技术应用中的瓶颈问题,而基于光电效应原理的光诱导介电泳的提出,为解决此问题提供了可行的方案.本文在设计制造光诱导介电泳芯片的基础上,搭建了基于光诱导介电泳操纵微粒子的实验平台,并对不同尺度的微粒子进行了过滤、输运、富集和聚焦等四种操纵功能的实现,同时并对各种操纵功能的性能进行了定量分析.结果表明,光诱导介电泳的操纵功能和操控性能与缩微光学图形的形状、尺寸、移动速度,激励信号的频率以及溶液电导率等参数相关.增加光线条宽度,一般能使操纵效率提高约50%以上,且聚焦时改变光线条倾角亦会明显影响聚焦效率.粒子的输运速率与捕获光圈的内半径和厚度成正比单调增加关系.粒子的最大同步速率与激励信号频率和溶液电导率成非线性关系,且在溶液电导率范围为5×10？4~5×10？3 S/m时具有良好的操纵性能和较高操纵效率.     

介电泳驱动纳米胶体分离的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学法对纳米胶体及其溶液环境进行建模,通过对模型系统施加非均匀电场,使胶体带有相反的极性.在较高的电场强度和较低的系统温度情况下介电泳驱动胶体分离的现象较为明显,对胶体的介电泳速度与溶剂粒子热运动速度比值进行研究,发现比值较大时,胶体与溶剂粒子的撞击较为剧烈,使得胶体的速度出现大幅度的波动.改变电场强度进行模拟,发现电场强度的增大能加快胶体的分离,但当电场强度增大到一定程度时,由于溶剂粒子对胶体的摩擦阻力很大,使得分离运动开始变慢.此外,在分析胶体位能的基础上研究胶体的分离原因,发现胶体电偶极化后胶体之间的吸引位能变小,而温度的升高使得吸引位能变小,排斥位能增大,这与DLVO理论得出的结论相一致.