基于热泳和磁泳的细微颗粒惯性耦合分选的研究

发布时间：2020-07-24 01:25

【摘要】：细微颗粒是指等效直径为0.1-5μm的颗粒,如空气中的气溶胶、生物细胞等,在生物工程、环境工程和材料工程中经常要涉及到细微颗粒的操纵,即根据细微颗粒的物理性质进行分离、捕获、富集、分选等操纵。根据颗粒密度、颗粒的导磁率、颗粒的带电性、颗粒的尺寸等进行分选是细微颗粒操纵的重要工艺。细微颗粒进行分选是将不同的颗粒从无序分散状态聚焦到不同的位置(即平衡位置),这个过程需要通过作用在颗粒上的力来控制细微颗粒的运动和轨迹,在生物粒子的分选中惯性分选法是最常用和最成熟的。然而,由于对于直径为0.1-5μm的细微颗粒,惯性效应已经不能满足其分选的要求,需要利用诸如热泳力和磁泳力来诱导颗粒产生附加的侧向迁移,从而提高颗粒的分选效率。本文的研究内容主要有以下几个方面:1)作用在悬浮颗粒中的力的分析:作用在悬浮在流体中的细微颗粒上的力有:重浮力、流体的粘性阻力、各种升力、热泳力、压力梯度力、附加质量力、布朗力、Basset力等,此外,还有外加的超声力、电场力、磁场力、光力等等。通过对以上作用在细微颗粒上力的分析发现,细微颗粒的尺寸在0.5-5μm之间时,粘性阻力和热泳力最为关键,当颗粒尺寸小于0.5μm时布朗力会有明显的影响,当颗粒尺寸大于5μm时惯性力占主导地位。因此,大于5μm的颗粒分选常采用惯性分选,小于5μm的颗粒分选已经无法单独凭借惯性力进行,需要借助如电场力、磁场力和热泳力等进行耦合分选。2)惯性分选规律研究:针对血液中的血小板(2μm)、红细胞(7μm)和白细胞(15μm)三种颗粒的分选,分析了矩形微通道的宽深比、收缩-扩张比和入口流率等因素对惯性分选效率的影响,得出粒子雷诺数为1时颗粒惯性分选效率最高。3)负磁泳耦合的惯性分选规律研究:为了分选尺寸十分接近的颗粒,将磁场力耦合惯性力进行分选是个好方法,针对2μm-5μm的非磁性颗粒,采用磁流体作为载流液体,在外加磁场的作用下能分选直径差为1μm的非磁性颗粒。在建立由磁场模型、流场模型和颗粒模型组成的数值模型基础上,模拟了不同入口速度、入口速度比、磁场强度、扩展比等对颗粒分选效率影响,发现小的入口速度、大的入口速度比、大的磁场梯度和适当的扩展比有利于分选效率的提高,最后用相关的实验进行了验证。4)热泳耦合的惯性分选规律研究:针对0.1μm、0.5μm和1.0μm的三种颗粒,采用在微通道宽度方向添加温度梯度,诱导产生热泳力,推动不同尺寸的颗粒产生不同的侧向迁移距离,达到颗粒分选的目的。数值模拟结果显示,颗粒平衡位置主要跟热泳力和粘性阻力有关。另外,针对0.5μm、5μm细微颗粒,采用热泳耦合的惯性分选,数值研究了入口流速、入口流速比、通道的收缩-扩张比、壁面温差对颗粒运动轨迹的影响,发现入口流速2 mm/s、入口流速比4左右、收缩-扩张比1/4、温差10 K时有比较好的分选效果,这也得到了实验结果的部分验证。本文共分为五章。第一章介绍了微流控芯片的研究现状;第二章分析了细微颗粒分选的常识;第三章是细微颗粒惯性分选、负磁泳分选和负磁泳耦合分选的规律研究;第四章是细微颗粒热泳分选和热泳耦合分选规律研究;第五章是本文的总结,得出一些关于热泳、磁泳耦合分选的重要结论,为指导人们研究细微颗粒分选规律和设计微分选器提供了理论依据,并对我们将来的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O652.6
【图文】：

示意图,升力,惯性,颗粒

第一章绪论结构的扩张腔（捕获腔）中的层流微剪切梯度升力和壁面干扰颗粒运动的选器中的细微颗粒在惯性力作用下指定的平衡位置。1961 年，Segre 和下，圆管中的悬浮颗粒迁移到离圆心即“管状收缩效应（Tubular pinch ef”，如图 1.2 所示。直流道中的颗粒也就是颗粒的聚集位置。圆形截面流

示意图,圆管道,圆环,直径

Dean 曳力和多腔结构的扩张腔（捕获腔）中的层流微涡力。度梯度场造成的剪切梯度升力和壁面干扰颗粒运动的壁面诱导 1.1 所示。惯性分选器中的细微颗粒在惯性力作用下发生侧向状态逐渐迁移到指定的平衡位置。1961 年，Segre 和 Silberger在低雷诺数情况下，圆管中的悬浮颗粒迁移到离圆心 0.6 倍半了一个圆环状，即“管状收缩效应（Tubular pinch effect）”。re-Silberberg 圆环”，如图 1.2 所示。直流道中的颗粒在特定雷定的“平衡点”，也就是颗粒的聚集位置。圆形截面流道的平衡处。图 1.1 流场中颗粒所受的惯性升力示意图

分选器,惯性

浙江理工大学博士学位论文了一款收缩-扩张型的惯性分选器，如图 1.4 所示。该通道可对浓度为 5%的血液样本进行分选，且分选效果比直通道结构提高了 3 倍。Bhagat 等[12]利用收缩-扩张型惯性分选器对血液中的疟原虫（直径约为 1.5μm）进行分离，检测的灵敏度比血涂片技术提高了约 100 倍。Choi 等[13]在“鱼脊型”结构基础上，设计了鱼脊收缩-扩张型惯性分选器，如图 1.5 所示。该分选器通过对特定尺寸的目标颗粒进行三维水动力控制，驱动目标颗粒侧向滚动，而非目标颗粒仍然自由流动。在流速为 0.1 μL/s 的条件下，目标颗粒的分选纯度达到了 97%左右。Bhagat 等[1利用具有 75 个收缩腔的收缩-扩张型惯性分选器（如图 1.6），将目标颗粒的重新捕获率提高到 80%以上。但以上应用的缺点在于通用性较差，只能对特定尺寸的颗粒进行分选。

【参考文献】