微流控芯片中表面修飾顆粒的操控及實驗研究.pdf

1、在微納系統(tǒng)中,存在著眾多天然的或人工的自生成“微馬達”運動現(xiàn)象。人工合成的微納顆粒物從其周圍的“燃料”溶液中獲得能量驅(qū)使自身持續(xù)運動是一種典型的“微馬達”自驅(qū)運動。近年來,這一運動在生物傳感、功能材料、靶向藥物輸運、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域呈現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。
　　人工合成的Pt-SiO2型Janus顆?？梢岳闷浔砻娴腜t與其所處環(huán)境中的H2O2溶液發(fā)生催化分解反應(yīng),在顆粒物的表面建立非對稱的分子數(shù)濃度梯度驅(qū)動Janus顆粒產(chǎn)生持續(xù)

2、的自驅(qū)運動。然而,Janus顆粒的這一自驅(qū)運動行為具有極大的隨機性,限制了其在工程上的實際應(yīng)用,對其實現(xiàn)運動方向的精確調(diào)控將大大的改觀這一局面。本文探索了借助外加電場對Janus顆粒自驅(qū)運動的隨機性進行間歇性的抑制,實現(xiàn)了其在短程距離的來回往復(fù)穿梭運動。
　　本文首先通過理論分析的方法針對Pt-SiO2型Janus顆粒的自驅(qū)運動機理和運動特性進行了闡述,得出了Janus顆粒自驅(qū)運動過程存在布朗運動、自驅(qū)運動、類布朗運動三個階段的結(jié)

3、果。當顆粒運動的特征時間在τT﹤τ﹤τR(τT為平動特征時間,τR為旋轉(zhuǎn)特征時間)的范圍內(nèi)時,它表現(xiàn)為自驅(qū)運動,其運動方向具有較好的定向性。接著,用Matlab軟件計算了Janus顆粒介電響應(yīng)CM因子隨頻率的變化關(guān)系,用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真軟件分析了叉指條帶型電極的空間電場分布。最后,運用實驗的方法研究了叉指條帶型電極中純 SiO2顆粒和 Janus顆粒的介電響應(yīng),與理論分析相呼應(yīng),得出高頻電場下Janus顆粒

4、呈pDEP并被吸引到電極邊緣。另外,Janus顆粒被吸引到電極邊緣時保持Pt側(cè)朝電極外,SiO2側(cè)朝電極內(nèi)的唯一穩(wěn)定姿態(tài)。本文利用數(shù)值仿真的方法計算了顆粒的電勢能,確定了Janus顆粒的Pt與SiO2側(cè)的分界面與電極內(nèi)部呈-60°的夾角時,顆粒表面具有最低的電勢能,從而解釋了Janus顆粒保持這一姿態(tài)的合理性。最終,再結(jié)合Janus顆粒自驅(qū)動階段運動具有定向性的特點,在條帶型電極上以一定的電場頻率和電場開關(guān)周期操控H2O2溶液中的Jan

5、us顆粒,讓Janus顆粒在介電響應(yīng)和自驅(qū)運動兩個狀態(tài)之間反復(fù)切換。最終,實現(xiàn)了Janus顆粒在條帶型電極內(nèi)部的來回穿梭往復(fù)運動。這一研究結(jié)果將有助于Janus顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域沿既定軌道向某指定目的地裝載、輸運、卸載藥物等研究的應(yīng)用。
　　對于單分子DNA力學(xué)特性的研究有助于揭示其基因表達的機理,本文所使用的聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)和非特異性連接反應(yīng)所形成的“顆粒-DNA-顆?！蔽⑶蚪M合是一種研究單分子DNA的有效方法。此外,嘗