基于介电泳的微粒操纵方法研究

一些微纳米尺度的物质，如细胞、DNA、碳纳米管、纳米颗粒等具有很多独特的电磁学、力学、热学以及物理、化学性能，因此在纳米电子学、微纳米机械系统、生物医学、生命科学等领域具有广泛的科学研究价值和应用前景，而目前像原子力显微镜和光镊等微纳操作手段由于价格昂贵、设备体积较大、操作单一化，还无法满足微尺度下的大规模并行化组装的需要。介电泳技术作为一种有效的微纳操纵和装配手段，不需要大型设备、操作简单、能进行批量组装，并且能够与芯片实验室的其它功能模块相结合，已经成为微纳米对象操作中的一项重要技术。介电泳技术利用微电极阵列产生空间电场，使被操纵的微粒发生极化，然后利用两者相互作用而产生的介电泳力，驱动极化的微粒在液体媒质中定向运动，配合流体动力以及势阱技术等，可以实现如细胞分离、DNA展开、细胞阵列排布、CNT批量组装等功能。本文作者以液体环境下的微米尺度的微粒传输和装配为应用背景，在详细分析介电泳技术的形成机制和微粒的各种受力的基础上，建立了以微电极阵列、微流体通道、三维微动平台和显微镜为主的介电泳实验系统，进行了各种介电泳实验，完成了相关微电极阵列的电场解析和数值求解，并对基于介电泳的三维势阱技术进行了研究，介绍了几种三维势阱的加工工艺，对十字交叉势阱电极的电场强度分布进行了仿真和分析，并结合移动波式电泳和势阱电泳的优点，设计了一种能够对微粒进行驱动和捕获的微电极阵列，通过改变施加在电极上的电压相位和大小，可以进行如传输、分层悬浮、微粒捕捉以及微粒释放等功能。本文对利用介电泳技术进行微粒操纵进行了详细的分析，实现了利用介电泳芯片进行聚苯乙烯小球的水平传输，设计了对未知微粒的介电常数特性进行测量的实验，利用傅立叶变换和格林公式对水平交叉电极阵列的电场分布进行了解析求解，完成了三维势阱阵列的仿真和设计。