微流控系统大数量密集生物颗粒相互干涉的介电泳特性新算法和实验研究

Bio-particle manipulation of dielectrophoresis in microfluidics is one of frontier research fields of multi-physics interaction associated with biology, chemistry, fluids and electricity. The interaction behavior of dense particle group under combinative action of fluid force and electrical force is one of the most crusal technologies in this field. This research project will study general behavior of electrophoretic particle interaction by theoretic study, numerical analysis and PIV model experiments, develop a simple and parctical algorithm for dielectrophoretic forces of dense particles. This project includs :.(1) innovation algorithm (iterative dipole moment method) for dielectrophoretic forces of a large number of randomly distributed dense particles(2D(3D), direct current(DC), alternating current (AC), uniform(non-uniform) electric field)..(2) General electrokinetic behavior of particle interaction under combinative action of fluid force and electrical force in microfluids, including qualitative and quantitative effects of various design and working parameters ( particle size, distribution of particles, property parameters of particle and buffer solution ) on particle interaction behavior..(3) Experimental study of general behavior of electrophoretic particle interaction subjected to electrical and fluidic forces in microfluids.

微流控系统的介电泳技术对生物颗粒操控是当前生物，医学，化学，流体，电学等领域的交叉前沿课题之一。大数量密集颗粒群在电场中介电干涉行为与单颗粒完全不同，至今没有很好解决。本课题拟采用理论，数值分析和 PIV 模型实验开展密集介电泳颗粒相互干涉现象研究，研发一种简单实用的密集颗粒群介电力（介电力矩）新算法和颗粒运动实验观测。研究内容：.（1）大数量随机分布密集颗粒群的介电力（介电力矩）创新算法（迭代偶极矩法）研究，包括 二维（三维），直流（交流），均匀（非均匀）电场；.（2）研究在电场介电力和流体力联合作用，大数量密集颗粒群的运动（包括颗粒干涉），颗粒融合（成链，成簇，成团）规律特性研究，包括颗粒大小，数量，颗粒和流体的介电系数，电导率，电场频率，颗粒分布位置等综合因素对颗粒群介电泳特性的影响；.（3）大数量密集介电泳颗粒在电场中相互干涉运动的实验观测。

微流控系统的介电泳技术对生物颗粒操控是当前生物，医学，化学，流体，电学等领域的交叉前沿课题之一。大数量密集颗粒群在电场中介电干涉行为与单颗粒完全不同，至今没有很好解决。麦克斯应力张量法(MST)是理论上最严格的颗粒介电力算法，但是计算量巨大，且数值误差和不确定性难以控制，目前只能用于计算二维电场中少数几个颗粒的相互作用。迭代偶极矩法(IDM)是当前模拟大数量密集颗粒介电泳相互作用的最新算法，无需复杂的数值计算，应用简单且具有较高的精度。利用迭代偶极矩法(IDM)，本项目对密集介电泳颗粒的相互干涉现象进行了研究。研究结果表明：同类颗粒总是形成平行于电场的颗粒链，异类颗粒总是形成垂直于电场的颗粒链，颗粒链为正负介电泳颗粒交替排列结构。多颗粒成链形态与颗粒的初始位置分布，电学属性(介电系数，电导率)，以及电场频率有关。颗粒初始位置的微小扰动会大大改变最终的颗粒链形态。通过调控电场频率可以让颗粒在正负介电泳之间转换，在不同的频率下，随机分布的大数量密集颗粒能够形成多个长短不一的颗粒链。本项目提出了一种大数量密集颗粒在流体中缓慢运动时的流体阻力迭代修正法。通过对局部流场进行迭代修正，得到了包含颗粒之间相互影响的流体阻力，可用于大数量密集颗粒相互作用时的流体阻力计算。本项目还结合电场调控电渗流微涡旋和介电泳技术，设计了一种可连续性分离颗粒的芯片装置。在微涡旋和介电力的共同作用下成功地实现了不同尺寸的负介电泳颗粒的连续分离。