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基于热泳和磁泳的细微颗粒惯性耦合分选的研究

杜加友  
【摘要】:细微颗粒是指等效直径为0.1-5μm的颗粒,如空气中的气溶胶、生物细胞等,在生物工程、环境工程和材料工程中经常要涉及到细微颗粒的操纵,即根据细微颗粒的物理性质进行分离、捕获、富集、分选等操纵。根据颗粒密度、颗粒的导磁率、颗粒的带电性、颗粒的尺寸等进行分选是细微颗粒操纵的重要工艺。细微颗粒进行分选是将不同的颗粒从无序分散状态聚焦到不同的位置(即平衡位置),这个过程需要通过作用在颗粒上的力来控制细微颗粒的运动和轨迹,在生物粒子的分选中惯性分选法是最常用和最成熟的。然而,由于对于直径为0.1-5μm的细微颗粒,惯性效应已经不能满足其分选的要求,需要利用诸如热泳力和磁泳力来诱导颗粒产生附加的侧向迁移,从而提高颗粒的分选效率。本文的研究内容主要有以下几个方面:1)作用在悬浮颗粒中的力的分析:作用在悬浮在流体中的细微颗粒上的力有:重浮力、流体的粘性阻力、各种升力、热泳力、压力梯度力、附加质量力、布朗力、Basset力等,此外,还有外加的超声力、电场力、磁场力、光力等等。通过对以上作用在细微颗粒上力的分析发现,细微颗粒的尺寸在0.5-5μm之间时,粘性阻力和热泳力最为关键,当颗粒尺寸小于0.5μm时布朗力会有明显的影响,当颗粒尺寸大于5μm时惯性力占主导地位。因此,大于5μm的颗粒分选常采用惯性分选,小于5μm的颗粒分选已经无法单独凭借惯性力进行,需要借助如电场力、磁场力和热泳力等进行耦合分选。2)惯性分选规律研究:针对血液中的血小板(2μm)、红细胞(7μm)和白细胞(15μm)三种颗粒的分选,分析了矩形微通道的宽深比、收缩-扩张比和入口流率等因素对惯性分选效率的影响,得出粒子雷诺数为1时颗粒惯性分选效率最高。3)负磁泳耦合的惯性分选规律研究:为了分选尺寸十分接近的颗粒,将磁场力耦合惯性力进行分选是个好方法,针对2μm-5μm的非磁性颗粒,采用磁流体作为载流液体,在外加磁场的作用下能分选直径差为1μm的非磁性颗粒。在建立由磁场模型、流场模型和颗粒模型组成的数值模型基础上,模拟了不同入口速度、入口速度比、磁场强度、扩展比等对颗粒分选效率影响,发现小的入口速度、大的入口速度比、大的磁场梯度和适当的扩展比有利于分选效率的提高,最后用相关的实验进行了验证。4)热泳耦合的惯性分选规律研究:针对0.1μm、0.5μm和1.0μm的三种颗粒,采用在微通道宽度方向添加温度梯度,诱导产生热泳力,推动不同尺寸的颗粒产生不同的侧向迁移距离,达到颗粒分选的目的。数值模拟结果显示,颗粒平衡位置主要跟热泳力和粘性阻力有关。另外,针对0.5μm、5μm细微颗粒,采用热泳耦合的惯性分选,数值研究了入口流速、入口流速比、通道的收缩-扩张比、壁面温差对颗粒运动轨迹的影响,发现入口流速2 mm/s、入口流速比4左右、收缩-扩张比1/4、温差10 K时有比较好的分选效果,这也得到了实验结果的部分验证。本文共分为五章。第一章介绍了微流控芯片的研究现状;第二章分析了细微颗粒分选的常识;第三章是细微颗粒惯性分选、负磁泳分选和负磁泳耦合分选的规律研究;第四章是细微颗粒热泳分选和热泳耦合分选规律研究;第五章是本文的总结,得出一些关于热泳、磁泳耦合分选的重要结论,为指导人们研究细微颗粒分选规律和设计微分选器提供了理论依据,并对我们将来的研究工作进行了展望。


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