慣性和粘彈性耦合下粒子的聚焦機理及應用研究.pdf

1、粒子達到有序的聚焦狀態(tài)是實現(xiàn)粒子計數(shù)、檢測和分離的必要條件。粘彈性聚焦無需外場和鞘液流的輔助，僅僅依靠溶液的自身屬性就能在簡單的直流道內(nèi)完成粒子的單列聚焦。另一方面，自然界很多高分子溶液和生物流體都存在一定的粘彈性，因而粘彈性聚焦這個課題受到學者的廣泛研究。本文基于機械學科領域的微納制造技術(shù)實現(xiàn)了微流控器件的制備，探索了直流道和彎流道內(nèi)粒子的粘彈性遷移聚焦機理，并且將其應用于細胞聚焦和粒子分選。上述研究內(nèi)容對微流體環(huán)境下粒子粘彈性聚焦機

2、理的深入研究，后續(xù)的粒子計數(shù)與檢測，以及低成本便攜式流式細胞儀的開發(fā)，都有重要的參考價值。具體而言，本文取得了如下研究成果:
　　(1)研究了直流道內(nèi)粒子的粘彈性聚焦機理。首先利用透明質(zhì)酸（HA）溶液和λ-DNA溶液這兩種生物粘彈性溶液，從流體流速、流道深寬比、粒子直徑和溶液濃度這四個方面分別探究了粒子在直流道內(nèi)的粘彈性聚焦機理，并且表征了粒子沿流程方向的動態(tài)聚焦過程。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著HA溶液濃度提升，粒子粘彈性聚焦效果增強，而λ-

3、DNA溶液濃度提升后粒子聚焦效果反而下降。其次，通過在矩形截面直流道兩側(cè)添加一定數(shù)量的三角形突擴結(jié)構(gòu)，利用突擴結(jié)構(gòu)誘導的截面二次流作用，成功將原先呈現(xiàn)三峰分布的粒子聚焦成單束，并且探索了突擴尺寸對粒子聚焦的影響機理。
　　(2)研究了彎流道內(nèi)粒子的粘彈性聚焦機理。首先利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液，探究了粒子在對稱正弦流道2％PVP溶液內(nèi)的流速調(diào)節(jié)機制，將粒子的遷移聚焦過程劃分成三個階段。對比了粒子在粘彈性流體和牛頓流體內(nèi)遷移聚

4、焦的區(qū)別，并且探索了PVP溶液濃度、粒子尺寸和正弦流道彎管的曲率半徑等關鍵參數(shù)對粘彈性聚焦的影響規(guī)律，觀察了粒子沿正弦流道的動態(tài)遷移聚焦過程。實驗發(fā)現(xiàn)耦合彎流道內(nèi)的Dean流作用不僅可以提升粒子的聚焦效果，還可以縮減粒子聚焦所需的流道長度。其次，利用HA溶液探索了粒子直徑的影響機理，并且比較了圓弧正弦、方波正弦、螺旋流道和突擴流道內(nèi)截面二次流的大小以及對粒子粘彈性聚焦效果的改善作用。
　　(3)將粘彈性聚焦技術(shù)應用于細胞操控和粒子

5、分選。首先，將操作對象由剛性球形的聚苯乙烯粒子拓展至具有一定柔性的生物細胞，在直流道和彎流道內(nèi)生物細胞均獲得了與聚苯乙烯粒子相似的粘彈性聚焦現(xiàn)象。其次，基于不同尺寸粒子在粘彈性溶液內(nèi)橫向遷移速度不同的原理，實現(xiàn)了混合粒子的分離。設計制造了一種由兩級芯片耦合的流道結(jié)構(gòu)，一級芯片采用正弦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩種尺寸粒子的共聚焦，二級芯片將流道壁附近的混合粒子經(jīng)過一段遷移距離后實現(xiàn)兩者的分離。并且優(yōu)化了二級芯片的尺寸參數(shù)，使得混合粒子的分離效率達到96％