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《天津大学》 2011年
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基于旋转磁场的粒子分离系统

毕研平  
【摘要】:磁性微球和磁性纳米粒子在众多领域展现了广阔的应用前景,其中精细磁体制造、磁热疗、磁共振成像、靶向载药等领域对所需磁性粒子的单分散性都有较高的要求,因此,磁性粒子的分离纯化方法成为研究热点之一。 文献报道的磁性分离方法主要包括:磁泳分离法、磁性捕获—释放法、磁场场流分级法等,但这些方法的局限性显而易见:首先,现有方法均基于静止磁场,作用范围有限,制约着分离通道的长度;更重要的是,磁场所引起的不可逆吸附和粒子磁团聚导致了严重的峰展宽,使分离度降低。针对以上问题,我们提出了两种新型磁性分离方法:旋转磁场∕周期沉降场流分级和磁场聚焦场流分级。 旋转磁场∕周期沉降场流分级是以缠绕成圈的毛细管作为分离通道,以旋转磁场代替传统的静止磁场进行磁性粒子分离的方法。磁铁转动到磁性粒子上方时将粒子吸引至上管壁;磁铁离开后,粒子在重力作用下自由沉降,沉降速率快的粒子更靠近抛物线流型的中心位置,迁移速率快,优先流出。组分的保留强度和分离度主要受磁铁旋转频率的影响。旋转磁场可以消除磁场的不可逆捕获,抑制粒子团聚,对于直径为6.04 ?m和9.40 ?m的模型粒子,其分辨率明显高于基于静止磁场的分离方法。 旋转磁场/周期沉降场流分级的局限性是不能按照粒子的磁化率不同进行分离。为了克服这一缺点,我们通过提高流体流速将普通的磁场场流分级发展成磁场聚焦场流分级。在这种模式中,流体抬升力和磁场力的共同作用使粒子在某特定流层达到受力平衡,这一平衡位置与粒子的磁化率有关,磁响应性强的粒子平衡位置更接近管壁,保留更强。这种方法的分辨率与磁场的强度(静磁场中表现为磁铁数目;旋转磁场中表现为频率)及流体流速相关。在磁场聚焦场流分级中,粘滞阻力、流体抬升力和剪切力的三重作用同样可以抑制磁场捕获和粒子团聚,使分离度得以提高。在长度为1.53 m的分离通道中应用静止或旋转磁场均可使饱和磁化强度相差35%的两种模型粒子实现基线分离。 采用旋转磁铁作为磁场源不仅可以扩大磁场的作用范围,便于延长分离通道及增加理论塔板数,还可以将磁感应强度的调节转化为对旋转频率的调节,从而避免了复杂电磁铁系统的引入。更为重要的是,由于解决了磁场场流分级中的磁性捕获和团聚问题,本文提出的两种方法均表现出较高的分辨率,它们不仅可以用于磁性粒子的分离纯化,而且在生物分离,尤其是细胞分离领域具有良好的应用前景。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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