微流控系统的磁泳运动仿真和实验研究

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微流控技术是一个包括了工程学、物理学、化学、电磁学、材料学、流体力学、微加工和生物工程等相关领域的多交叉学科,该技术涉及到试剂采样、反应、混合、检测和分离等等基本操作,具有节约样品、高效率、高度集成化和低廉的成本要求,应用前景非常广阔。而纳米磁性材料的出现,由于其良好的超顺磁性、生物相容性、稳定性以及易于实现生化修饰等优点,在磁场作用下,可以实现磁性微粒的可控性,使得微流控技术的发展得到了更广泛的关注和研究。颗粒在磁场作用下的“泳动”现象称为磁泳。与磁场相结合的微流控技术中,载体磁性粒子的研究近年来得到了国内外众多学者的关注,磁场作用下的磁泳运动研究也有了一定的研究。  本文基于流体力学和电磁学理论,分析了磁泳过程中磁性粒子在梯度磁场和流场共同作用下的受力情况,并通过理论分析、有限元数值模拟和实验验证等手段,对微管道内磁性粒子的磁泳行为进行了探索和研究。主要研究内容如下:  建立了微管道内磁性粒子在梯度磁场和流场共同作用下的动力学理论和数值模型。以柱形永磁体作为磁源,推导了二维简化模型中在磁场作用下磁性粒子的磁泳轨迹的解析表达式。在此基础上,研究了微管道内磁性微粒的磁场力与所受粘滞阻力的平衡关系,对比分析了不同粒径和不同磁源-微管道间距对磁泳捕获效率的影响。进一步为了验证该解析表达式,本文提出采用Matlab和COMSOL有限元法相结合的数值求解方法,对同一模型下的磁性粒子的磁泳行为进行了对比分析。可以看出在同样假设条件下,两种方法求解结果基本相同。同时,基于本数值求解方法,亦考虑粒子磁径向速度(在解析法中忽略)对磁泳行为的影响,并通过与数值模型的结果进行对比,分析了结果差异的原因所在。  提出了基于PCB印制电路板的微流控系统的搭建方法。文章探讨了四种不同的微管道加工方法,综合考虑加工水平、周期和成本的因素,提出了设计基于PCB印制电路板的微流控系统的制作方案,在此基础上,搭建有限元仿真模型,研究了PCB印制电路板走线通电情况下磁流体的磁泳运动,研究外加恒定磁场对微管道内磁流体磁泳运动的影响,对磁性微粒的磁泳聚集行为做出预测。  搭建微流控平台,进行实验研究。验证了有限元仿真模型下的磁泳运动现象,可以看出与理论研究基本吻合。  限于实验条件及工作展开,本文对微流控系统下的磁泳运动作了基础理论的相关研究,开展了磁泳运动的仿真和相关基础实验,尚有许多待解决问题,对于磁流体的混合、分离的问题有待进一步研究,引进更为精密的微管道制作方案和用于磁泳运动观测的设备,也将会大大提高对磁流体磁泳运动的研究认知。
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