【摘要】：隨著微機電系統(tǒng)和微納米技術的進步,基于微流控芯片系統(tǒng)的生物分離技術是近年來發(fā)展起來的一種重要的生物分離手段。微尺度下,一般通過施加不同的外加力場(電場力、磁場力、聲駐波力和光學力等)與流體力共同實現生物靶標的有效分離,其中,磁泳分離技術是利用磁場力誘導磁性微粒定向移動實現精細分離,可控性和靈活性很強。同時,分離效率不受溶液pH值、離子強度以及通道的表面電荷的影響,在細胞分離和純化等生物分離領域具有廣闊的應用前景。在磁泳分離的研究中,粒子除了受到磁場力和流體的粘滯阻力之外,還受到粒子-粒子磁相互作用和粒子-流體水動力相互作用的影響。同時,在已有的研究中,磁場力作用模式單一和可控性差等因素使得磁性微粒間易發(fā)生磁團聚行為,導致系統(tǒng)只能在較低微粒濃度下實現高精度和高分辨率分離,限制了其進一步發(fā)展和應用。為此,本文對磁泳分離中磁性微粒的動力學行為開展了系統(tǒng)的數值模擬研究工作,構建了不同磁分離模式下的單向、雙向粒子-流體耦合模型以及直接數值全耦合模型。在此基礎上,探究了磁體結構、粒子-流體水動力相互作用及磁團聚行為等對磁泳粒子運動特性和分離行為的影響規(guī)律及作用機制,相關研究為建立和完善高效的磁泳分離系統(tǒng)提供理論基礎和技術支撐。首先,構建了低濃度磁泳分離模式下的單向粒子-流體耦合模型(磁場-流場),分析和探究了Y型通道磁泳分離系統(tǒng)中不同磁體結構、流速條件及管道結構等對單微粒分離效率和雙微粒分離精度的影響規(guī)律及機制。具體包括:通過對比分析單一永磁體及不同組合磁體作用下粒子的受力特征及捕獲效率,明確了磁場空間分布特性對粒子運動行為的影響機制,實現了較優(yōu)的磁體排列設計;提出通過調節(jié)Y型通道雙入口的流速比和在出口增設擴寬通道來提高雙粒徑微粒的連續(xù)式磁泳分離精度,實現了小差異粒徑條件下雙磁性微粒(4μm和5μm)的有效分離。其次,構建了高濃度磁泳分離模式下的雙向粒子-流體耦合模型(磁場-流場-濃度場),分析和探究了粒子-流體水動力作用對磁泳分離系統(tǒng)中磁性微粒分離效率的影響規(guī)律。具體包括:通過在流場中引入磁體積力作用,充分考慮了高濃度條件下粒子-流體水動力作用對流速和粒子動力學行為的潛在影響,在此基礎上,對比分析了Y型和直型通道在不同初始磁性微粒濃度下粒子的分離效率,并以粒子流速和動態(tài)濃度參量為分析參量,明確了兩種管道下粒子-流體水動力作用對分離效率的影響機制。最后,基于任意拉格朗日-歐拉方法和應力張量法,構建了均勻/梯度磁場和流場共同作用下磁性顆粒的直接數值模型,實現了微粒與微粒、微粒與流體間的強耦合求解,并在此基礎上探尋了靜/動態(tài)磁場條件下磁性微粒的團聚和分離特性。仿真分析表明:在靜態(tài)磁場下,磁性微粒受到磁相互作用力發(fā)生團聚,導致無法根據微粒自身物理特性的差異而實現多目標有效分離;通過采用所提出的交變梯度磁場驅動方法,可將磁性微粒間的磁作用力模式從傳統(tǒng)的單一吸力變?yōu)榻惶娴奈?斥力狀態(tài),進而有效抑制了分離過程中粒子的團聚行為,為實現多粒徑磁性微粒的高精度分離提供了可能。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文捕獲式磁泳分離作為一種較為簡單直接的磁泳分離方法，通常適用于單一種類粒子從液體中的分離�；驹硎窃谕饧犹荻却艌鱿�，磁性微粒受到的磁場力 Fmag大于溶液施加的粘滯阻力 Fhydr，流體在通過磁源附近時，被磁源捕獲并吸附，非磁性粒子由于未受到磁場力作用而沿著原有流體運動方向繼續(xù)從出口流出，將磁性粒子從流體中分離出來。由于磁性粒子的團聚現象阻礙了磁源附近捕獲的大量磁性微粒的回收再利用，且捕獲區(qū)域中樣品雜質的非特異性捕獲會產生污染，，捕獲式磁泳分離只適用于某些分析應用，例如免疫測定實驗[25]。

圖 1.2 高梯度磁選的裝置示意圖[34]連續(xù)式磁泳分離比單一種類磁性微粒被捕獲而從溶液中分離出來的方式，在實際中更多磁泳分離來分離不同粒徑的磁性微粒和非磁性微粒，來解決捕獲式磁泳限性。在外加梯度磁場作用下，磁性物體例如磁性微�；虼判詷擞浀募氝^程中，具有不同尺寸或磁化系數的粒子因為所受到的梯度磁場力不同度的偏轉，從分離通道出口端的不同通道流出，而非磁性粒子未受到梯用而沿著原流體的流動方向進入另一側出口通道，實現多粒子目標分離的不均勻磁場是垂直于流動方向的。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN492

【參考文獻】

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本文編號：2596191