微流体中纳米颗粒的非线性电动操控机理和实验研究

Through theoretical, numerical and experimental studies, several results are hoped to be achieved as below: ① Derving the modified Navier-Stokes and Possion-Nernst-Planck equations for induced-charge electro-osmosis (ICEO), which incorporate the effects of concentrated solution and thick double layer. ② Derving the general mobility relations for the translation and rotation of nanoparticle of arbitrary shape and surface electrical properties under dielectrophoresis and induced charge electrophoresis, which incorporate the effect of interaction between particle and wall or particle and particle. ③Using the experimental system of Micro-PIV/PTV, the profile and magnitude of ICEO should be demonstrated around an isolated or several gathering platinum wires in the middle and lateral of a polymer microchannel filled with low or high concentration solution, subject to a weak alternating electric field. Through this project, an elementary theory of nonlinear electrokinetic manipulation of nanoparticles in microfluidics can be established, which will inevitably impel the wider utilization of nanoparticle in many industrial fields.

本项目拟通过理论分析、数值模拟与实验研究达到以下的目标： ①在Navier-Stokes和Possion-Nernst-Planck方程基础上，考虑高溶液浓度、厚壁面双电层情况下，构建包含诱导电渗流现象的微流体动力学模型。 ②在非线性电动力(介电电泳力和诱导电泳力)作用下，得到纳米颗粒的形状、表面导电属性与其平移速度和角速度的关系式；得到颗粒-颗粒、颗粒-壁面相互影响的运动规律。 ③在外加交流电作用下，采用Micro-PIV/PTV技术得到微管道中心、近壁面处的单个导电物体附近区域的流型及速度场的精确信息；两个相近导电物体周围的流型及速度场的精确信息。 通过本项目的研究，可以加深对微流体中颗粒电动操控机理上的认识，推动纳米颗粒在生物医学、分析化学、颗粒污染物分析和MEMS等领域的应用。

目前微流控芯片实验室技术已具有将现在医院的生化实验室微缩到一块只有几平方厘米芯片上的能力，但是还有一些技术瓶颈有待突破，那就是微量试样流体驱动、混合和微纳米颗粒的操控、组装。微流体中纳米颗粒的非线性电动操控机理和实验研究对于解决生物医学、分析化学、颗粒污染物分析和MEMS等领域面临的上述技术痛点有着极其重要的意义。本项目通过理论分析、数值模拟与实验研究达到了以下的目标：.①在Navier-Stokes方程基础上，考虑高溶液浓度、厚壁面双电层，构建包含诱导电渗流现象的微流体动力学模型，从而进一步完善了微流体非线性电驱动问题。.②在非线性电动力(介电电泳力和诱导电泳力)作用下，得到了纳米颗粒运动规律，从而为颗粒定向驱动和组装提供理论依据。.③在非线性电动力(介电电泳力和诱导电泳力)作用下，得到了颗粒-颗粒、颗粒-壁面相互影响的运动规律。.④在外加交流电作用下，采用Micro-PIV/PTV技术得到了微管道中心、近壁面处的单个导电物体附近区域的流型及速度场的精确信息。.通过本项目的研究，可以加深对微流体中颗粒电动力学原理的认识，推动纳米颗粒相关技术在生物医学、分析化学、颗粒污染物分析和MEMS等领域的应用。在此基础上发表论文22篇，其中SCI或EI收录14篇；授权专利8项。今后将进一步密切与学科之间的关系，拓展科研渠道。