微流控系統(tǒng)的磁泳運(yùn)動(dòng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微流控技術(shù)是一個(gè)包括了工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、微加工和生物工程等相關(guān)領(lǐng)域的多交叉學(xué)科，該技術(shù)涉及到試劑采樣、反應(yīng)、混合、檢測和分離等等基本操作，具有節(jié)約樣品、高效率、高度集成化和低廉的成本要求，應(yīng)用前景非常廣闊。而納米磁性材料的出現(xiàn)，由于其良好的超順磁性、生物相容性、穩(wěn)定性以及易于實(shí)現(xiàn)生化修飾等優(yōu)點(diǎn)，在磁場作用下，可以實(shí)現(xiàn)磁性微粒的可控性，使得微流控技術(shù)的發(fā)展得到了更廣泛的關(guān)注和研究。顆粒在磁場作用下的“泳動(dòng)”現(xiàn)

2、象稱為磁泳。與磁場相結(jié)合的微流控技術(shù)中，載體磁性粒子的研究近年來得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，磁場作用下的磁泳運(yùn)動(dòng)研究也有了一定的研究。
　　本文基于流體力學(xué)和電磁學(xué)理論，分析了磁泳過程中磁性粒子在梯度磁場和流場共同作用下的受力情況，并通過理論分析、有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，對微管道內(nèi)磁性粒子的磁泳行為進(jìn)行了探索和研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　建立了微管道內(nèi)磁性粒子在梯度磁場和流場共同作用下的動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值模型。以柱形

3、永磁體作為磁源，推導(dǎo)了二維簡化模型中在磁場作用下磁性粒子的磁泳軌跡的解析表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，研究了微管道內(nèi)磁性微粒的磁場力與所受粘滯阻力的平衡關(guān)系，對比分析了不同粒徑和不同磁源-微管道間距對磁泳捕獲效率的影響。進(jìn)一步為了驗(yàn)證該解析表達(dá)式，本文提出采用Matlab和COMSOL有限元法相結(jié)合的數(shù)值求解方法，對同一模型下的磁性粒子的磁泳行為進(jìn)行了對比分析?？梢钥闯鲈谕瑯蛹僭O(shè)條件下，兩種方法求解結(jié)果基本相同。同時(shí)，基于本數(shù)值求解方法，亦考慮粒

4、子磁徑向速度（在解析法中忽略）對磁泳行為的影響，并通過與數(shù)值模型的結(jié)果進(jìn)行對比，分析了結(jié)果差異的原因所在。
　　提出了基于PCB印制電路板的微流控系統(tǒng)的搭建方法。文章探討了四種不同的微管道加工方法，綜合考慮加工水平、周期和成本的因素，提出了設(shè)計(jì)基于PCB印制電路板的微流控系統(tǒng)的制作方案，在此基礎(chǔ)上，搭建有限元仿真模型，研究了PCB印制電路板走線通電情況下磁流體的磁泳運(yùn)動(dòng)，研究外加恒定磁場對微管道內(nèi)磁流體磁泳運(yùn)動(dòng)的影響，對磁性微粒的