基于交流电热的生物流体高效泵送机理及实验研究

来源 :河北工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:skykoo
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近年来,大规模传播的艾滋病、禽流感、黄热病等传染病给人们的生命财产造成了巨大的损失。常规的检测方法检测周期长、操作复杂、成本高以及灵敏度低,不利于及早地对传染病进行诊断和干预,在一定程度上加剧了其危害性,因此设计一种针对病原体,操作简单,能进行快速准确的检测具有重要的临床意义。微流控技术具有样品消耗量低,通量高等特点,凭借其高度微型化、集成化、便携化以及功能多样化等优势,能够克服常规检测方法的不足,可快速准确地实现对病原体的检测。在对病原体进行快速准确的检测过程中,无论对何种病原体进行检测,都需要驱动含有病原体的样本生物流体(例如血液),完成生物流体的进样,才能进行后续的检测操作,因此研究可对生物流体进行快速、方便以及高效的进样与驱动的流体泵送装置对在微流控芯片进行快速检测具有重要的意义。本文对基于交流电热的微泵技术进行研究,通过对微尺度下的电极施加交流电场,使微泵通道内的流体受到电场力的作用而运动,实现对高电导率流体的泵送。研究交流电热的相关理论,推导交流电场下的高电导率流体的体积力,即分别在线性模型与强耦合模型下的交流电场力,比较线性模型和强耦合模型的温度场区别,利用强耦合模型对交流电热微泵的关键参数进行二维仿真,得出最优参数,同时得出不同电压与频率条件下的微泵的仿真泵送速率表。仿真结果表明,在15Vpp的条件下,电导率分别0.1S/m、0.2S/m、0.3S/m、0.4S/m、0.5S/m和0.6S/m的流体最高泵送速率可分别达930.93μm/s、1634.4μm/s、1979.7μm/s、2000.7μm/s、1956.5μm/s、1924.4μm/s。根据仿真得出的微泵芯片的参数,加工可用于实验的微泵芯片,观察在不同电压、频率下的交流电热微泵芯片通道内的实验现象,分析电压、频率对交流电热微泵的影响。实验结果表明,当电流频率低于1MHz时,微泵通道内会产生气泡,并且频率越低,产生的气泡越多,不利于流体的泵送,因此微泵需要在高频率的条件下运行。优化后的交流电热微泵可实现对生物流体流体的高效泵送,应用前景广阔。
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