磁動力微流控芯片內(nèi)磁珠動力學行為及其強化混合與分離機理研究.pdf

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

2、等多個學科領域的前沿技術(shù)，也依賴于對物質(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，電磁場是控制物質(zhì)輸運的主要方式，與電場相比，磁場具有獨特的優(yōu)勢:磁場力不受樣品濃度及pH值等參數(shù)的影響;磁場作用下的磁性微球（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（磁珠）與微流控技術(shù)的結(jié)合為近年來的一個重要研究熱點。然而，目前國內(nèi)外的相關研究集中于磁泳芯片傳質(zhì)過程的定性演示，缺乏對磁場作用下微系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)機理的定量研究，

3、特別是對于高流速下分離小粒徑磁珠的困難仍然沒有有效的解決辦法;關于集成電磁線圈磁泳芯片方面，對于如何解決提高磁泳分離效率和降低焦耳熱效應之間的矛盾還缺乏簡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一步提高。鑒于此，本課題采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究等綜合手段，對磁場作用下微通道內(nèi)的熱質(zhì)傳遞機理進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)磁珠在磁場和流場共同作用下的

4、動力學模型，采用有限元法和龍格庫塔法相結(jié)合的方法，研究了磁珠的動力學行為及特征，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)的磁場力分布、磁珠、的運動軌跡、運動速度、捕獲時間及捕獲效率等。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)磁極對稱布置和雙側(cè)磁極交錯布置對磁珠動力學行為的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在集成微磁體陣列的作用下，通道內(nèi)磁珠的運動軌跡呈現(xiàn)波動特征，與單側(cè)磁極布置相比，雙側(cè)磁極對稱布置可削弱這種波動，而雙側(cè)磁

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

6、律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在流速較高或磁場較弱時，磁珠的捕獲數(shù)量隨時間呈現(xiàn)線性增加的趨勢，而在低流速或較高磁場強度時，其增加速度隨時間增長呈現(xiàn)先快后慢的非線性趨勢;存在一個臨界流體速度，當流體速度小于此臨界速度，相同時間內(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，并在流速較高時下降速度變緩;相同流速下，磁珠的捕獲數(shù)量隨磁場強度的增加而明顯增加，且增加的速度越來越快。
　　 3.首次提出并證明了利用磁力場與流場的協(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)磁珠運動基本方程出發(fā)，分析并證明了磁珠在微通道內(nèi)的運動始終處于準平衡狀態(tài)，據(jù)此進一步導出了影響磁泳分離效率的重要參數(shù)，即磁場力矢量和流體速度矢量間的夾角（該夾角越小，表明磁力場和流場的協(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，即通過減小磁力場和流場矢量間的夾角，可明顯提高微通道磁泳分離效率。
　　 4.基于上述磁力場與流場協(xié)同作用原理，設計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。通過數(shù)值研究，分析了流速、磁場強度、磁珠粒徑及流體溫度等參數(shù)對其分離效率的影響。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，直通道芯片對直徑為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63.4％和100％。在此基礎上，利用熒光超順磁磁珠開展了直通道以及L/T型通道內(nèi)的磁泳分離實驗，驗證了磁力場和流場協(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，以及確保可視化的原則，提出并設計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行了磁泳分離實驗，發(fā)現(xiàn):集成微電磁線圈捕獲磁珠的熒光強度分布與線圈的磁場分布存在關聯(lián);以紅外熱像儀測量了芯片磁泳過程中因焦耳熱導致的溫升，通過有限元法模擬了三明治結(jié)構(gòu)芯片的熱性能，并與文獻中常用的PDMS/PDMS和

10、PDMS/Glass結(jié)構(gòu)芯片進行了比較，發(fā)現(xiàn)磁泳捕獲效率為87.4％時，Glass/Si/Glass三明治結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)的溫升不超過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之間的矛盾提供了一種新的并滿足可視化檢測要求的芯片結(jié)構(gòu)選擇。
　　 6.建立了磁場、流場和濃度場的多物理場耦合模型，數(shù)值研究了微通道內(nèi)利用低

11、頻間歇性磁場強化功能磁珠的微混合過程，考察了施加磁場前后微通道內(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)（與磁場頻率有關）、磁場力大小、微通道尺寸以及流體溫度等參數(shù)對混合效率的影響。發(fā)現(xiàn):低頻間歇性磁場能夠顯著提高微通道內(nèi)的混合效率;在一定條件下，存在一個最小擾動磁場力使得強化混合得以啟動，并存在一個最佳磁場頻率使得混合效率達到最高。
　　 上述研究，系統(tǒng)深入地揭示了微通道內(nèi)磁珠的動力學行為及