螺旋流道慣性微流控芯片粒子操控機理及功能應(yīng)用研究.pdf

1、慣性微流控技術(shù)作為近年來新出現(xiàn)的微操控手段，突破微流控中流動低雷諾數(shù)的傳統(tǒng)觀點，借助微流體慣性效應(yīng)實現(xiàn)微粒的高效聚焦及分選等操控功能。因其所需器件結(jié)構(gòu)簡單、無需借助耗能外場及連續(xù)流態(tài)極高通量等獨特優(yōu)勢，而被認為是新型微型化即時檢驗儀器的理想候選樣品預(yù)處理模塊。本文以此需求為牽引，針對具有粒子復(fù)雜遷移特性的螺旋流道慣性微流控器件研制所涉及的設(shè)計、制備和慣性流表征，以及粒子遷移機理和器件功能拓展應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)展開系統(tǒng)的研究，取得下列創(chuàng)新性研

2、究成果:
　　(1)在器件的設(shè)計、制備和慣性流表征方面:針對目前研究缺乏完整器件設(shè)計體系的不足，提煉螺旋流道器件設(shè)計準則，實現(xiàn)器件功能的總體設(shè)計及流道結(jié)構(gòu)和各輔助單元的具體設(shè)計，最終成品器件總體尺寸小于2cm2;同時，為縮減原型器件的加工成本和開發(fā)周期，采用無掩模光刻和微模塑技術(shù)探索適用于高質(zhì)量、大尺寸螺旋流道慣性微流控器件快速、低成本制備的工藝路線。最后，針對高速慣性流中粒子運動量化表征困難的問題，基于普通倒置顯微鏡搭建集樣品耐

3、壓引入的粒子運動表征平臺，并采用熒光觀測和圖像處理的方法，實現(xiàn)粒子遷移特性的量化統(tǒng)計學分析。
　　(2)在粒子聚焦特性的器件關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控效用方面:一方面，深入研究器件唯一可控操作參數(shù)-樣品驅(qū)動流速對粒子聚焦的調(diào)控機理。首先，通過量化分析粒子橫向聚焦位置及聚焦率隨流速的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了可恢復(fù)式聚焦不穩(wěn)定的新現(xiàn)象，得到了聚焦位置隨流速的完整版偏移規(guī)律，解決了先前研究因流速區(qū)段不同而導(dǎo)致的結(jié)論分歧;另外，通過雙元混合粒子聚焦實驗，發(fā)現(xiàn)了

4、不同尺寸粒子平衡位置交換的新現(xiàn)象，更正了報道研究認為多尺寸粒子聚焦相對位置固定不變的觀念性結(jié)論;最后，發(fā)展用于闡述粒子聚焦流速調(diào)控機制的五階段模型，成功解釋上述發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象及規(guī)律，提升對于粒子受力競爭機制的理解。另一方面，系統(tǒng)表征前述研究未涉及的粒子沿流道聚焦特性，提出新型二階段模型用于描述粒子沿流道的動態(tài)聚焦過程;并通過定量分析聚焦遷移距離對粒子聚焦位置、聚焦率及聚焦穩(wěn)定性的影響效用，得出實現(xiàn)粒子聚焦所需最短聚焦遷移距離與流速間的尺度關(guān)

5、系式;最后，研究混合粒子沿流道的聚焦和分離特性，繪制了粒子在不同流速及流道長度處分離度狀態(tài)圖譜，解釋了混合粒子共聚焦鏈沿流道的形成機制。
　　(3)在跨尺度粒子的遷移模式方面:突破先前研究僅關(guān)注聚焦粒子的局限，研究跨尺度粒子在低深寬比螺旋流道中的遷移行為，發(fā)現(xiàn)不同尺寸因子粒子呈現(xiàn)三種遷移模式，即非聚焦、粗聚焦和聚焦模式，且可通過調(diào)整流道截面特征尺寸實現(xiàn)特定尺寸粒子在三種遷移模式間的靈活轉(zhuǎn)換。具體研究三種模式下粒子遷移行為，發(fā)現(xiàn)非聚

6、焦模式粒子的遷移行為將被隨機布朗運動所主導(dǎo)而始終充斥整個流道，但在高流速時呈一定的流道中心富集效用;而粗聚焦模式粒子將被拽入有效Dean渦中往復(fù)循環(huán)而形成寬粒子條帶，且該寬粒子帶的特性由截面Dean渦的形貌和分布所決定;聚焦模式粒子則將在慣性升力和Dean拽力的耦合作用下聚焦至靠近流道內(nèi)壁面沿高度方向的兩個平衡位置，在前述粒子聚焦機理研究基礎(chǔ)上，進一步分析多元粒子體系的聚焦動力學行為。最后，采用跨尺度的多分散生物粒子驗證了上述多遷移模式

7、理論的有效性。
　　(4)在器件功能的拓展應(yīng)用方面:依托前述探索的粒子遷移機理，開展器件的新型功能拓展應(yīng)用研究，驗證制備器件及探索機理在復(fù)雜特性生物粒子操控方面的適用性及差異性。首先，研究易變形胃癌細胞在螺旋流道中的排列輸運特性，發(fā)現(xiàn)形變誘導(dǎo)升力將減緩胃癌細胞的內(nèi)壁面向遷移速率;基于流速大于200μl/min時胃癌細胞將聚焦至內(nèi)半流道區(qū)域的實驗事實，實現(xiàn)了活性癌細胞的柔性濃縮應(yīng)用，克服金標準高速離心技術(shù)無法實現(xiàn)極低濃度細胞濃縮的瓶

8、頸問題。同時，依托小尺寸碎片呈非聚焦模式而主體目標粒子遷移形成位于內(nèi)半流道區(qū)域的粒子帶（呈聚焦和粗聚焦模式）的原理，在700μl/min的極高通量下實現(xiàn)葡聚糖生物粒子體系中70％以上雜質(zhì)的去除，為微尺度樣品提純提供了新途徑。最后，研究極低濃度血細胞懸浮液在螺旋流道中的遷移特性，實現(xiàn)了血細胞的完美單列聚焦，且發(fā)現(xiàn)餅狀紅細胞聚焦態(tài)的截面高度依賴性;進一步測試稀釋度對血細胞聚焦效果的影響，最終在700μl/min的剪切安全流速通量及20倍稀釋