离心式颗粒分选微流控芯片研究

发布时间：2020-11-13 13:49

　　 近年来,微流控芯片技术在化学、生物、医药和环境等领域得到了广泛的研究和应用;其中,微型马达驱动的离心式微流控芯片,通过离心力、欧拉力、科氏力的共同作用驱动芯片内的微尺度流体运动。该类芯片内的流体流动由离心力等体力驱动,只需控制微马达的转速及角加速度,无需外接任何液泵;而且芯片内可以布置多路微结构,具有并行高通量、高效率、结构简单、易于控制等显著优势。细胞分选微流控芯片是微流控技术领域的重要研究方向,对即时检测技术的发展具有重要意义。已有细胞运动学研究通常以微颗粒代替细胞进行研究,微流体中的运动颗粒受速度差导致的拖曳力、流体速度或压强不均匀导致的梯度力。而在离心微流体中,颗粒还受离心力等体力的作用,会使颗粒因密度和尺寸等因素的差异而具有不同的运动轨迹,这为实现不同颗粒的分离分选提供了更加高效、可控的方式和方法。本论文主要研究离心微流体的对流效应以及不同颗粒在离心微流体中的运动规律,主要内容包括:(1)针对离心微流体两相流的特征,建立液滴的离心碰撞模型,研究离心微流体的对流效应,从而为离心微流控结构设计提供理论指导;(2)针对已有微流控芯片的材料及键合工艺普遍不适用于高速旋转离心式微流控芯片的问题,探索研究适合离心式颗粒分选芯片的加工工艺,从而为离心微流控结构实验验证提供所需的工艺基础;(3)针对离心微流体内颗粒受离心力、科氏力和欧拉力等体力,速度和压强差异导致的表面拖曳力和梯度力的耦合作用问题,研究不同颗粒的运动学和动力学规律,并据此设计颗粒的离心沉降微流控结构,并通过颗粒分选实验验证所得芯片结构,进而确定转速等离心沉降颗粒分选参数,为进一步研制离心式细胞分选芯片系统奠定基础。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.8
【部分图文】：

的所有物质施加体积力（离心力、科氏力和欧拉力），通过额外的场力驱使细胞或者颗粒主动偏移或者沉降，这使得离心微流控技术具有更多的控制手段。另外，离心微流控技术是通过电机驱使芯片旋转，主要控制的参数为角速度和角加速度，而且离心微流体是体力驱动，不需要外接压力泵，其控制方法较其他方法也比较简单。这些优势也使得离心微流控技术在颗粒或细胞分选上具有很大的潜力。在离心场内的微流体会受到三种体力的作用，即离心力 FC、科氏力 FCo和欧拉力FE。微流体所受的离心力的大小与转速和离心半径有关，方向始终沿径向向外。科氏力是描述在旋转系中直线运动物体的偏移，与转速和运动物体与旋转系的相对速度相关。欧拉力则与离心半径和离心加速度相关。通过设计合理的结构和控制转速、角加速度，可以控制微流体的流动，以实现各种功能。例如利用科氏力可以在矩形截面的流道中进行微流体的混合[33,34]；通过欧拉力驱使有限液体偏移控制虹吸阀的连通[35]。

为粒子的位置向量， 为粒子的速度向量，由于粒子为无质量示踪粒子，速度来自于两相流模型。在粒子的运动过程中，为了使结果更精确，会使用大量的粒子，粒子数量越多，其计算精度越高。但是还有其他因素会影响粒子追迹的结果，因此还需要一些算法修正误差。第一，由于两相流中，存在气相和液相，由于是向前粒子追迹，处于气相和液相界面的粒子在某一时间步的位移之后，粒子从液相进入气相，从而导致这个粒子成了气相的追迹粒子，从而使用气相的速度运动。另外由于液体在管道内运动的特点，管道的边界（也称为润湿壁）上的速度为 0，而管道中央的速度最高，因此靠近壁面的液相粒子从移动的液相后方进入气相，而位于管道中央的粒子则从中间突破液相进入气相。这种液相中的追迹粒子由于进入气相变成气相追迹粒子，如图 2.1 粒子追迹过程中的粒子这些粒子原本所在的空间就会形成空腔，而这些空腔在液滴混合之后，依然会存在，这就使得混合后的粒子群依旧存在很多区域没有追迹粒子，如图 2.2 所示。

图 2.2 混合后的追迹粒子群Figure 2.2 Mixed traced particle groups之外，粒子的分布也会影响最后的结果，当粒子的分布均匀且有的不均匀，原本整齐密布的粒子会在移动中产生位移差，从而形这种均布的间隔有多小，这种误差都无法避免。为了避免这种初始分布的时候，应使粒子的位置尽量随机分布，以避免这种通过粒子分布反应液体的分布，需要将粒子点群通过一定算法确定两团液体的混合界面。本文的方法是将两种粒子按初始位哪一个液滴，额外定义一个身份值 ，与相场法类似，用 =分这两种混合粒子，然后将混合后的液体所在区域划分网格并，得到的插值函数中， = 的等值线即为混合后液体的界面混合的效果评价
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本文编号：2882263