利用声表面波驻波分选不同密度粒子的仿真分析与实验研究

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粒子的高效分选对医学检测、化学研究、诊断治疗学、药物开发与合成等领域有着重要意义。而基于粒子密度分选粒子广泛应用于化学和生物学等领域,比如白细胞分类、干细胞分离以及特定细菌的分选等。而基于声表面波的微流控分选技术因其传播损耗低、易于制造、生物相容性好、无接触操纵和试剂消耗量少等优点被广泛应用。因此本文基于声表面波驻波(SSAW)分选技术与水力分选技术提出利用自制SSAW分选芯片分选多种密度粒子的实验研究,探究主流道流速、流体密度、加载信号电压、出口流量比等对微粒分选效果的影响,具体研究内容如下:对声流效应、叉指换能器产生声表面波的原理、声表面波器件的工作原理进行分析介绍,讨论了分选芯片微流道内流体的性质,最终对粒子在声表面波驻波场中的受力情况进行分析,为仿真分析及实验奠定理论基础。确定压电基底、叉指换能器和微流道系统的材料,确定叉指换能器和微流道系统的结构参数,之后利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术制造底模和声表面波器件,采用模塑法制造聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流道系统,再用自然键合的方式键合声表面波器件与微流道系统,最后经过管路与导线连接等处理得到实验用分选芯片。利用多物理场仿真软件COMSOL对声表面波器件进行模态分析和谐响应分析,确定声表面波器件的工作频率;然后利用MATLAB软件对本文研究三种不同密度的粒子在SSAW场中的运动轨迹进行仿真分析,探究不同的输入电压、主流道流速对不同密度的粒子运动轨迹的影响;最后将得到的最优参数加载在三维仿真模型上,利用COMSOL软件探究不同出口流量比对粒子的运动轨迹的影响,确定出较优的粒子分选参数。设计实验方案并搭建实验平台,利用自制分选芯片进行实验研究,探究加载电压、主流道流速、流体密度、出口流量比等因素对粒子分选效果的影响并确定最佳的分选参数。实验结果表明:两种结构的分选芯片均能实现直径为10μm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、二氧化硅微球和聚苯乙烯(PS)微球三种微粒的分选,提高分选效率;其中,直接分选芯片的最佳分选参数为:主流道最大流速vmax=5mm/s、加载峰峰值电压Vpp=15V、流量比B1=0.2、B2=0.6;依次分选芯片的最佳分选参数为:主流道最大流速vmax=5mm/s、加载峰峰值电压Vpp=15V、流量比A1=0.2、A2=0.25;并且依次分选芯片分选效果优于直接分选芯片。
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