具電荷調節粒子於電解質溶液中之介電泳現象

Abstract

本研究以表面帶有官能基的硬球為模型，探討其介電泳行為。這系統可模擬細胞等等的生物粒子如DNA、RNA，蛋白質等等，在生化方面有極大的應用價值。為使之能有更廣泛的應用，將與之結合理論及實驗，做出前瞻性的研究。 近年來由於微奈米科技蓬勃發展，進而帶動介電泳的快速發展。介電泳能夠在極小的距離下產生極大的電場，不僅能夠分離粒子，在生化方面，更能利用此不均勻電場，使生物細胞免於在受高壓電影響而死亡，亦能達成分離或捕捉的目的，對各方面研究發展都是非常大的進步。 先前所探討的大多為具固定電位之粒子（例如硬球以及液滴等等），即不會隨外界環境而改變其電位，然而此假設並不符合實際應用的情況，因此討論具電荷調節的硬球粒子，且為兩性粒子，亦即官能基可因環境帶有正電或負電，和以往僅能解離氫離子的模型相比，使用這個廣義的模型，對系統描述更詳細並且更接近真實生物粒子。 本研究利用假性光譜法，探討在介電泳下的行為。由決定粒子速度的關鍵因子－dipole coefficient，代表粒子在介質中的有效極化程度，探討由電雙層厚度、帶電量、佩萊特常數、頻率、介電常數等等研究其與外加電場的交互作用以及dipole coefficient的變化。

粒子移動的泳動結果，會影響電雙層，進而影響dipole coefficient與有效偶極矩強度。由於高頻的時候，粒子移動速度太快，帶電量幾乎不影響，僅由粒子和介質的介電常數決定結果，且介於-0.5至1之間，與實驗數據比對相符，也驗證了研究的正確性與實用性。 利用這個研究以及其中的參數，可幫助實驗學者設計更完善的介電泳，也可預測粒子分離情形，對介電泳相關學者提供非常大的幫助。

Dielectrophoresis (DEP), the migration of a dielectric particle in a non-uniform electric field, has grabbed a great deal of interest in micro/nano-technologies such as microfluidic devices, biomaterial and lab-on-a-chip. However, relevant theoretical researches are still quite limited. Mostly in the branch of constant zeta potential case. Here we introduce a general type of particle, the charge-regulated particle, which models cell motion with surface functional groups in general. In present study, the effective polarization, characterized by the dipole coefficient, of a charge regulated particle in an electrolyte solution subject to an alternating electric field is studied theoretically. Dipole coefficient is investigated as a function of the double-layer thickness, surface charge, Peclet number, permittivity and the electric-field frequency. We found, among other things, that the particle lectrophoretic motion is influenced significantly by the electric double layer deformation and polarizability. At high frequencies, the permittivity affects the dipole coefficient in the limited range ( -0.5 to 1) as observed in experimental data reported in literature. The good agreement between them leads to a conclusion that our model is able to predict the experimental results in general.