微通道磁泳系统中磁性微粒的动态特性和分离行为研究

发布时间：2020-03-23 04:33

【摘要】：随着微机电系统和微纳米技术的进步,基于微流控芯片系统的生物分离技术是近年来发展起来的一种重要的生物分离手段。微尺度下,一般通过施加不同的外加力场(电场力、磁场力、声驻波力和光学力等)与流体力共同实现生物靶标的有效分离,其中,磁泳分离技术是利用磁场力诱导磁性微粒定向移动实现精细分离,可控性和灵活性很强。同时,分离效率不受溶液pH值、离子强度以及通道的表面电荷的影响,在细胞分离和纯化等生物分离领域具有广阔的应用前景。在磁泳分离的研究中,粒子除了受到磁场力和流体的粘滞阻力之外,还受到粒子-粒子磁相互作用和粒子-流体水动力相互作用的影响。同时,在已有的研究中,磁场力作用模式单一和可控性差等因素使得磁性微粒间易发生磁团聚行为,导致系统只能在较低微粒浓度下实现高精度和高分辨率分离,限制了其进一步发展和应用。为此,本文对磁泳分离中磁性微粒的动力学行为开展了系统的数值模拟研究工作,构建了不同磁分离模式下的单向、双向粒子-流体耦合模型以及直接数值全耦合模型。在此基础上,探究了磁体结构、粒子-流体水动力相互作用及磁团聚行为等对磁泳粒子运动特性和分离行为的影响规律及作用机制,相关研究为建立和完善高效的磁泳分离系统提供理论基础和技术支撑。首先,构建了低浓度磁泳分离模式下的单向粒子-流体耦合模型(磁场-流场),分析和探究了Y型通道磁泳分离系统中不同磁体结构、流速条件及管道结构等对单微粒分离效率和双微粒分离精度的影响规律及机制。具体包括:通过对比分析单一永磁体及不同组合磁体作用下粒子的受力特征及捕获效率,明确了磁场空间分布特性对粒子运动行为的影响机制,实现了较优的磁体排列设计;提出通过调节Y型通道双入口的流速比和在出口增设扩宽通道来提高双粒径微粒的连续式磁泳分离精度,实现了小差异粒径条件下双磁性微粒(4μm和5μm)的有效分离。其次,构建了高浓度磁泳分离模式下的双向粒子-流体耦合模型(磁场-流场-浓度场),分析和探究了粒子-流体水动力作用对磁泳分离系统中磁性微粒分离效率的影响规律。具体包括:通过在流场中引入磁体积力作用,充分考虑了高浓度条件下粒子-流体水动力作用对流速和粒子动力学行为的潜在影响,在此基础上,对比分析了Y型和直型通道在不同初始磁性微粒浓度下粒子的分离效率,并以粒子流速和动态浓度参量为分析参量,明确了两种管道下粒子-流体水动力作用对分离效率的影响机制。最后,基于任意拉格朗日-欧拉方法和应力张量法,构建了均匀/梯度磁场和流场共同作用下磁性颗粒的直接数值模型,实现了微粒与微粒、微粒与流体间的强耦合求解,并在此基础上探寻了静/动态磁场条件下磁性微粒的团聚和分离特性。仿真分析表明:在静态磁场下,磁性微粒受到磁相互作用力发生团聚,导致无法根据微粒自身物理特性的差异而实现多目标有效分离;通过采用所提出的交变梯度磁场驱动方法,可将磁性微粒间的磁作用力模式从传统的单一吸力变为交替的吸-斥力状态,进而有效抑制了分离过程中粒子的团聚行为,为实现多粒径磁性微粒的高精度分离提供了可能。
【图文】：

示意图,示意图,磁性粒子,捕获区域

华中科技大学博士学位论文捕获式磁泳分离作为一种较为简单直接的磁泳分离方法，通常适用于单一种类粒子从液体中的分离。基本原理是在外加梯度磁场下，磁性微粒受到的磁场力 Fmag大于溶液施加的粘滞阻力 Fhydr，流体在通过磁源附近时，被磁源捕获并吸附，非磁性粒子由于未受到磁场力作用而沿着原有流体运动方向继续从出口流出，将磁性粒子从流体中分离出来。由于磁性粒子的团聚现象阻碍了磁源附近捕获的大量磁性微粒的回收再利用，且捕获区域中样品杂质的非特异性捕获会产生污染，，捕获式磁泳分离只适用于某些分析应用，例如免疫测定实验[25]。

高梯度磁选,梯度磁场

图 1.2 高梯度磁选的装置示意图[34]连续式磁泳分离比单一种类磁性微粒被捕获而从溶液中分离出来的方式，在实际中更多磁泳分离来分离不同粒径的磁性微粒和非磁性微粒，来解决捕获式磁泳限性。在外加梯度磁场作用下，磁性物体例如磁性微粒或磁性标记的细过程中，具有不同尺寸或磁化系数的粒子因为所受到的梯度磁场力不同度的偏转，从分离通道出口端的不同通道流出，而非磁性粒子未受到梯用而沿着原流体的流动方向进入另一侧出口通道，实现多粒子目标分离的不均匀磁场是垂直于流动方向的。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492

【参考文献】