磁動(dòng)力微流控芯片內(nèi)磁珠動(dòng)力學(xué)行為及其強(qiáng)化混合與分離機(jī)理研究.pdf

1、微流控技術(shù)(Microfluidics)是多學(xué)科交叉的前沿科技領(lǐng)域之一。該技術(shù)將化學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的采樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測(cè)以及細(xì)胞的培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作集成到數(shù)厘米見(jiàn)方的芯片上，從而取代傳統(tǒng)的生化實(shí)驗(yàn)室的功能，具有試劑耗量極微，檢測(cè)速度極快，獲取信息極多等優(yōu)點(diǎn)。因此，微流控分析系統(tǒng)在生物、醫(yī)學(xué)、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)等眾多領(lǐng)域都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　 微流控技術(shù)的發(fā)展不僅依賴于生物、化學(xué)、材料及電子

2、等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的前沿技術(shù)，也依賴于對(duì)物質(zhì)在微納尺度下的熱質(zhì)傳遞等基本規(guī)律的掌握。在微流控芯片中，電磁場(chǎng)是控制物質(zhì)輸運(yùn)的主要方式，與電場(chǎng)相比，磁場(chǎng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):磁場(chǎng)力不受樣品濃度及pH值等參數(shù)的影響;磁場(chǎng)作用下的磁性微球（磁珠）具有良好的可操控性，且其表面生化修飾具有多樣性等，磁場(chǎng)（磁珠）與微流控技術(shù)的結(jié)合為近年來(lái)的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。然而，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究集中于磁泳芯片傳質(zhì)過(guò)程的定性演示，缺乏對(duì)磁場(chǎng)作用下微系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)機(jī)理的定量研究，

3、特別是對(duì)于高流速下分離小粒徑磁珠的困難仍然沒(méi)有有效的解決辦法;關(guān)于集成電磁線圈磁泳芯片方面，對(duì)于如何解決提高磁泳分離效率和降低焦耳熱效應(yīng)之間的矛盾還缺乏簡(jiǎn)單的行之有效的技術(shù)手段;此外，功能磁珠與生化樣品的混合效率也有待進(jìn)一步提高。鑒于此，本課題采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等綜合手段，對(duì)磁場(chǎng)作用下微通道內(nèi)的熱質(zhì)傳遞機(jī)理進(jìn)行了深入的探索和研究，取得了以下一系列重要成果和結(jié)論:
　　 1.建立了微通道內(nèi)磁珠在磁場(chǎng)和流場(chǎng)共同作用下的

4、動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元法和龍格庫(kù)塔法相結(jié)合的方法，研究了磁珠的動(dòng)力學(xué)行為及特征，分析了單向耦合模型和雙向耦合模型的適用條件，得到了微通道內(nèi)的磁場(chǎng)力分布、磁珠、的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、捕獲時(shí)間及捕獲效率等。討論了三種集成軟磁體布置方式:微通道單側(cè)磁極布置，雙側(cè)磁極對(duì)稱布置和雙側(cè)磁極交錯(cuò)布置對(duì)磁珠動(dòng)力學(xué)行為的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在集成微磁體陣列的作用下，通道內(nèi)磁珠的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)波動(dòng)特征，與單側(cè)磁極布置相比，雙側(cè)磁極對(duì)稱布置可削弱這種波動(dòng)，而雙側(cè)磁

5、極交錯(cuò)布置則強(qiáng)化了這種波動(dòng);雙側(cè)磁極對(duì)稱布置和交錯(cuò)布置盡管對(duì)磁珠運(yùn)動(dòng)軌跡特征有明顯影響，但對(duì)捕獲效率影響不大;雙側(cè)磁極布置比單側(cè)磁極布置的捕獲效率高，但其捕獲時(shí)間也更長(zhǎng);雙側(cè)磁極布置由于兩側(cè)磁場(chǎng)力相互削弱的原因，其捕獲效率明顯低于單側(cè)磁極布置的兩倍。
　　 2.開(kāi)展了微通道內(nèi)高速流動(dòng)下的磁泳分離實(shí)驗(yàn)研究，利用顯微可視化技術(shù)觀測(cè)了微通道內(nèi)超順磁磁珠的運(yùn)動(dòng)和捕獲情況，利用圖像分析技術(shù)獲得了磁珠的捕獲數(shù)量隨時(shí)間、流速和磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)

6、律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在流速較高或磁場(chǎng)較弱時(shí)，磁珠的捕獲數(shù)量隨時(shí)間呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，而在低流速或較高磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，其增加速度隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢的非線性趨勢(shì);存在一個(gè)臨界流體速度，當(dāng)流體速度小于此臨界速度，相同時(shí)間內(nèi)磁珠的捕獲數(shù)量較多，高于此臨界速度，捕獲數(shù)量則迅速下降，并在流速較高時(shí)下降速度變緩;相同流速下，磁珠的捕獲數(shù)量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而明顯增加，且增加的速度越來(lái)越快。
　　 3.首次提出并證明了利用磁力場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同作用提高微通

7、道內(nèi)磁泳分離效率的方法。從微通道內(nèi)磁珠運(yùn)動(dòng)基本方程出發(fā)，分析并證明了磁珠在微通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)始終處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，據(jù)此進(jìn)一步導(dǎo)出了影響磁泳分離效率的重要參數(shù)，即磁場(chǎng)力矢量和流體速度矢量間的夾角（該夾角越小，表明磁力場(chǎng)和流場(chǎng)的協(xié)同性越好），從而為提高磁泳分離效率找到了新的優(yōu)化途徑，即通過(guò)減小磁力場(chǎng)和流場(chǎng)矢量間的夾角，可明顯提高微通道磁泳分離效率。
　　 4.基于上述磁力場(chǎng)與流場(chǎng)協(xié)同作用原理，設(shè)計(jì)并加工了集成有微型軟磁體的新型L/T型微通

8、道結(jié)構(gòu)的磁泳分離芯片。通過(guò)數(shù)值研究，分析了流速、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁珠粒徑及流體溫度等參數(shù)對(duì)其分離效率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):新型的L/T型結(jié)構(gòu)磁泳分離芯片較常規(guī)的直通道磁泳芯片的分離效率有顯著提高，如在流速為0.01m/s時(shí)，直通道芯片對(duì)直徑為0.5μm的磁珠的分離效率僅為43.7％，而相同條件下，L型和T型通道的分離效率分別高達(dá)63.4％和100％。在此基礎(chǔ)上，利用熒光超順磁磁珠開(kāi)展了直通道以及L/T型通道內(nèi)的磁泳分離實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了磁力場(chǎng)和流場(chǎng)協(xié)同

9、作用提高磁泳分離效率的原理的正確性。
　　 5.基于提高磁泳分離效率、降低焦耳熱效應(yīng)，以及確?？梢暬脑瓌t，提出并設(shè)計(jì)加工了集成電磁線圈的具有Glass/Si/Glass三明治結(jié)構(gòu)的磁泳分離芯片，利用超順磁熒光磁珠進(jìn)行了磁泳分離實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn):集成微電磁線圈捕獲磁珠的熒光強(qiáng)度分布與線圈的磁場(chǎng)分布存在關(guān)聯(lián);以紅外熱像儀測(cè)量了芯片磁泳過(guò)程中因焦耳熱導(dǎo)致的溫升，通過(guò)有限元法模擬了三明治結(jié)構(gòu)芯片的熱性能，并與文獻(xiàn)中常用的PDMS/PDMS和

10、PDMS/Glass結(jié)構(gòu)芯片進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)磁泳捕獲效率為87.4％時(shí)，Glass/Si/Glass三明治結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)的溫升不超過(guò)10℃，明顯低于相同條件下的PDMS/PDMS和PDMS/Glass結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫升（分別為62.4℃和30.7℃），為解決傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)在提高捕獲效率和降低焦耳熱效應(yīng)之間的矛盾提供了一種新的并滿足可視化檢測(cè)要求的芯片結(jié)構(gòu)選擇。
　　 6.建立了磁場(chǎng)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合模型，數(shù)值研究了微通道內(nèi)利用低

11、頻間歇性磁場(chǎng)強(qiáng)化功能磁珠的微混合過(guò)程，考察了施加磁場(chǎng)前后微通道內(nèi)的磁珠濃度、流體速度和壓力以及混合效率的變化情況，分析了雷諾數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)（與磁場(chǎng)頻率有關(guān)）、磁場(chǎng)力大小、微通道尺寸以及流體溫度等參數(shù)對(duì)混合效率的影響。發(fā)現(xiàn):低頻間歇性磁場(chǎng)能夠顯著提高微通道內(nèi)的混合效率;在一定條件下，存在一個(gè)最小擾動(dòng)磁場(chǎng)力使得強(qiáng)化混合得以啟動(dòng)，并存在一個(gè)最佳磁場(chǎng)頻率使得混合效率達(dá)到最高。
　　 上述研究，系統(tǒng)深入地揭示了微通道內(nèi)磁珠的動(dòng)力學(xué)行為及