基于熱泳和磁泳的細(xì)微顆粒慣性耦合分選的研究.pdf

1、細(xì)微顆粒是指等效直徑為0.1-5μm的顆粒，如空氣中的氣溶膠、生物細(xì)胞等，在生物工程、環(huán)境工程和材料工程中經(jīng)常要涉及到細(xì)微顆粒的操縱，即根據(jù)細(xì)微顆粒的物理性質(zhì)進(jìn)行分離、捕獲、富集、分選等操縱。根據(jù)顆粒密度、顆粒的導(dǎo)磁率、顆粒的帶電性、顆粒的尺寸等進(jìn)行分選是細(xì)微顆粒操縱的重要工藝。
　　細(xì)微顆粒進(jìn)行分選是將不同的顆粒從無序分散狀態(tài)聚焦到不同的位置(即平衡位置)，這個過程需要通過作用在顆粒上的力來控制細(xì)微顆粒的運(yùn)動和軌跡，在生物粒子的

2、分選中慣性分選法是最常用和最成熟的。然而，由于對于直徑為0.1-5μm的細(xì)微顆粒，慣性效應(yīng)已經(jīng)不能滿足其分選的要求，需要利用諸如熱泳力和磁泳力來誘導(dǎo)顆粒產(chǎn)生附加的側(cè)向遷移，從而提高顆粒的分選效率。本文的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面:
　　1)作用在懸浮顆粒中的力的分析:作用在懸浮在流體中的細(xì)微顆粒上的力有:重浮力、流體的粘性阻力、各種升力、熱泳力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力、布朗力、Basset力等，此外，還有外加的超聲力、電場力、磁場

3、力、光力等等。通過對以上作用在細(xì)微顆粒上力的分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)微顆粒的尺寸在0.5-5μm之間時，粘性阻力和熱泳力最為關(guān)鍵，當(dāng)顆粒尺寸小于0.5μm時布朗力會有明顯的影響，當(dāng)顆粒尺寸大于5μm時慣性力占主導(dǎo)地位。因此，大于5μm的顆粒分選常采用慣性分選，小于5μm的顆粒分選已經(jīng)無法單獨(dú)憑借慣性力進(jìn)行，需要借助如電場力、磁場力和熱泳力等進(jìn)行耦合分選。
　　2)慣性分選規(guī)律研究:針對血液中的血小板(2μmm)、紅細(xì)胞(7μm)和白細(xì)胞(15

4、μm)三種顆粒的分選，分析了矩形微通道的寬深比、收縮-擴(kuò)張比和入口流率等因素對慣性分選效率的影響，得出粒子雷諾數(shù)為1時顆粒慣性分選效率最高。
　　3)負(fù)磁泳耦合的慣性分選規(guī)律研究:為了分選尺寸十分接近的顆粒，將磁場力耦合慣性力進(jìn)行分選是個好方法，針對2μm-5μm的非磁性顆粒，采用磁流體作為載流液體，在外加磁場的作用下能分選直徑差為1μm的非磁性顆粒。在建立由磁場模型、流場模型和顆粒模型組成的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，模擬了不同入口速度、入

5、口速度比、磁場強(qiáng)度、擴(kuò)展比等對顆粒分選效率影響，發(fā)現(xiàn)小的入口速度、大的入口速度比、大的磁場梯度和適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展比有利于分選效率的提高，最后用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　4)熱泳耦合的慣性分選規(guī)律研究:針對0.1μm、0.5μm和1.0μm的三種顆粒，采用在微通道寬度方向添加溫度梯度，誘導(dǎo)產(chǎn)生熱泳力，推動不同尺寸的顆粒產(chǎn)生不同的側(cè)向遷移距離，達(dá)到顆粒分選的目的。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，顆粒平衡位置主要跟熱泳力和粘性阻力有關(guān)。另外，針對0.5μ

6、m、5μm細(xì)微顆粒，采用熱泳耦合的慣性分選，數(shù)值研究了入口流速、入口流速比、通道的收縮-擴(kuò)張比、壁面溫差對顆粒運(yùn)動軌跡的影響，發(fā)現(xiàn)入口流速2mm/s、入口流速比4左右、收縮-擴(kuò)張比1/4、溫差10K時有比較好的分選效果，這也得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的部分驗(yàn)證。
　　本文共分為五章。第一章介紹了微流控芯片的研究現(xiàn)狀;第二章分析了細(xì)微顆粒分選的常識;第三章是細(xì)微顆粒慣性分選、負(fù)磁泳分選和負(fù)磁泳耦合分選的規(guī)律研究;第四章是細(xì)微顆粒熱泳分選和熱泳耦