微流道中粒子黏彈性聚焦機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著微納機(jī)械制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，微流控技術(shù)得到更為廣泛的研究。其中，利用流體自身特性的黏彈性微流控技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜器件，無(wú)需外場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，開始引起學(xué)者們的關(guān)注。同時(shí)，黏彈性效應(yīng)的運(yùn)用可增強(qiáng)微流控芯片對(duì)微納米粒子的操控效率，有望減小芯片結(jié)構(gòu)尺寸。一方面，黏彈性微流控技術(shù)為待測(cè)樣品液的富集、分選、提純等預(yù)處理開辟新的途徑。另一方面，在微流控技術(shù)商業(yè)化過(guò)程中，實(shí)際處理的樣品液普遍存在黏彈性，不得不考慮黏彈性效應(yīng)對(duì)微粒操控的影響

2、。本文基于微納機(jī)械制造技術(shù)，從多種流速、多尺寸粒子、不同特性溶液等方面入手，探究微流道中粒子黏彈性聚焦機(jī)理。論文取得下列研究成果:
　　(1)基于多種微納機(jī)械制造工藝，制作了用于探究粒子黏彈性聚焦機(jī)理的不同結(jié)構(gòu)、尺寸的微流控器件。集成毛細(xì)玻璃管，制備了便于高壓引流及廢液收集的剛性圓截面流道的微型化器件。利用拔絲法，制各單純PDMS材質(zhì)的圓截面直流道的一體化微流控器件?；谘谀９饪碳夹g(shù)與模塑法，制備了多種結(jié)構(gòu)、尺寸的矩形截面直流道、

3、直型縮擴(kuò)流道、圓角縮擴(kuò)流道以及螺旋流道。
　　(2)研究了圓截面流道中粒子黏彈性聚焦機(jī)理。首先，對(duì)比分析玻璃管內(nèi)牛頓流體與黏彈性流體中粒子橫向遷移特性。粒子在黏彈性效應(yīng)下可實(shí)現(xiàn)圓截面中心聚焦，而牛頓流體中的粒子則在慣性升力驅(qū)動(dòng)下可形成經(jīng)典的Segré-Silberberg圓環(huán)。其次，研究粒子黏彈性聚焦的尺寸及流速調(diào)控效用。10μm大粒子具有比5μm小粒子更好的黏彈性聚焦效果。而且隨著驅(qū)動(dòng)流速增加，粒子聚焦效果逐漸增強(qiáng)。進(jìn)而表征了粒

4、子沿流道長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)黏彈性聚焦過(guò)程。理論推導(dǎo)了圓形流道中粒子黏彈性聚焦所需安全流道長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該模型式的有效性。最后，探索單純PDMS材質(zhì)的圓形流道中粒子黏彈性聚焦特性，發(fā)現(xiàn)粒子聚焦強(qiáng)度隨流速變化的特殊規(guī)律。實(shí)驗(yàn)了PDMS圓形流道中基于黏彈性效應(yīng)的血細(xì)胞聚焦，驗(yàn)證了粒子黏彈性聚焦技術(shù)運(yùn)用于生物粒子操控的可行性。
　　(3)研究了矩形截面直流道及直型縮擴(kuò)流道中粒子黏彈性聚焦機(jī)理。首先，測(cè)試了矩形截面直流道中粒

5、子聚焦效果隨流速的變化，獲得與圓截面直流道類似的粒子聚焦過(guò)程。其次，分析了流道截面形狀及尺寸對(duì)粒子黏彈性遷移的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)矩形截面流道比圓形流道更不易實(shí)現(xiàn)粒子的流道中心聚焦。定量研究堵塞比對(duì)粒子聚焦的影響，提出存在促進(jìn)粒子黏彈性聚焦的較優(yōu)堵塞比。再次，實(shí)驗(yàn)了多種樣品液中粒子不同的遷移過(guò)程，得到PEO樣品液中的粒子未實(shí)現(xiàn)單束聚焦的遷移規(guī)律。另外，研究了直型縮擴(kuò)流道中流速、截面尺寸對(duì)粒子黏彈性遷移的調(diào)控，獲得比單純直流道更好的聚焦效果。進(jìn)一步

6、改進(jìn)突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)圓角突擴(kuò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)粒子黏彈性聚焦。最后，在矩形截面直流道中獲得10μm粒子2.5倍的富集濃縮，以及2μm、10μm混合粒子的提純分選。
　　(4)研究了螺旋流道中粒子黏彈性遷移特性。首先，研究了螺旋流道中粒子黏彈性聚焦隨流速變化的規(guī)律，驗(yàn)證了黏彈性溶液中的粒子分布于外半側(cè)流道。并發(fā)現(xiàn)8wt％PVP樣品液流速越大，粒子聚焦位置越靠近流道中心，在該樣品液中獲得理想的粒子單列聚焦。其次，測(cè)試了聚合物

7、濃度及類型對(duì)粒子遷移特性的影響，結(jié)果顯示6.8wt％PVP樣品液中的粒子比2wt％PVP更易實(shí)現(xiàn)聚焦，但6.8wt％PVP樣品液濃度進(jìn)一步提升至8wt％，對(duì)粒子聚焦的促進(jìn)效果不明顯。與PVP樣品液中的粒子能實(shí)現(xiàn)理想的單列聚焦相比，較小彈性系數(shù)的PEO樣品液中粒子無(wú)法單束聚焦。再次，探究了多種流道寬度及初始半徑的螺旋流道中粒子黏彈性遷移規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著螺旋流道寬度增大，粒子熒光峰值靠近外壁面。而螺旋初始半徑越小，Dean拽力越大，粒