【摘要】：細(xì)微顆粒是指等效直徑為0.1-5μm的顆粒,如空氣中的氣溶膠、生物細(xì)胞等,在生物工程、環(huán)境工程和材料工程中經(jīng)常要涉及到細(xì)微顆粒的操縱,即根據(jù)細(xì)微顆粒的物理性質(zhì)進(jìn)行分離、捕獲、富集、分選等操縱。根據(jù)顆粒密度、顆粒的導(dǎo)磁率、顆粒的帶電性、顆粒的尺寸等進(jìn)行分選是細(xì)微顆粒操縱的重要工藝。細(xì)微顆粒進(jìn)行分選是將不同的顆粒從無序分散狀態(tài)聚焦到不同的位置(即平衡位置),這個(gè)過程需要通過作用在顆粒上的力來控制細(xì)微顆粒的運(yùn)動和軌跡,在生物粒子的分選中慣性分選法是最常用和最成熟的。然而,由于對于直徑為0.1-5μm的細(xì)微顆粒,慣性效應(yīng)已經(jīng)不能滿足其分選的要求,需要利用諸如熱泳力和磁泳力來誘導(dǎo)顆粒產(chǎn)生附加的側(cè)向遷移,從而提高顆粒的分選效率。本文的研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:1)作用在懸浮顆粒中的力的分析:作用在懸浮在流體中的細(xì)微顆粒上的力有:重浮力、流體的粘性阻力、各種升力、熱泳力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力、布朗力、Basset力等,此外,還有外加的超聲力、電場力、磁場力、光力等等。通過對以上作用在細(xì)微顆粒上力的分析發(fā)現(xiàn),細(xì)微顆粒的尺寸在0.5-5μm之間時(shí),粘性阻力和熱泳力最為關(guān)鍵,當(dāng)顆粒尺寸小于0.5μm時(shí)布朗力會有明顯的影響,當(dāng)顆粒尺寸大于5μm時(shí)慣性力占主導(dǎo)地位。因此,大于5μm的顆粒分選常采用慣性分選,小于5μm的顆粒分選已經(jīng)無法單獨(dú)憑借慣性力進(jìn)行,需要借助如電場力、磁場力和熱泳力等進(jìn)行耦合分選。2)慣性分選規(guī)律研究:針對血液中的血小板(2μm)、紅細(xì)胞(7μm)和白細(xì)胞(15μm)三種顆粒的分選,分析了矩形微通道的寬深比、收縮-擴(kuò)張比和入口流率等因素對慣性分選效率的影響,得出粒子雷諾數(shù)為1時(shí)顆粒慣性分選效率最高。3)負(fù)磁泳耦合的慣性分選規(guī)律研究:為了分選尺寸十分接近的顆粒,將磁場力耦合慣性力進(jìn)行分選是個(gè)好方法,針對2μm-5μm的非磁性顆粒,采用磁流體作為載流液體,在外加磁場的作用下能分選直徑差為1μm的非磁性顆粒。在建立由磁場模型、流場模型和顆粒模型組成的數(shù)值模型基礎(chǔ)上,模擬了不同入口速度、入口速度比、磁場強(qiáng)度、擴(kuò)展比等對顆粒分選效率影響,發(fā)現(xiàn)小的入口速度、大的入口速度比、大的磁場梯度和適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展比有利于分選效率的提高,最后用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。4)熱泳耦合的慣性分選規(guī)律研究:針對0.1μm、0.5μm和1.0μm的三種顆粒,采用在微通道寬度方向添加溫度梯度,誘導(dǎo)產(chǎn)生熱泳力,推動不同尺寸的顆粒產(chǎn)生不同的側(cè)向遷移距離,達(dá)到顆粒分選的目的。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,顆粒平衡位置主要跟熱泳力和粘性阻力有關(guān)。另外,針對0.5μm、5μm細(xì)微顆粒,采用熱泳耦合的慣性分選,數(shù)值研究了入口流速、入口流速比、通道的收縮-擴(kuò)張比、壁面溫差對顆粒運(yùn)動軌跡的影響,發(fā)現(xiàn)入口流速2 mm/s、入口流速比4左右、收縮-擴(kuò)張比1/4、溫差10 K時(shí)有比較好的分選效果,這也得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的部分驗(yàn)證。本文共分為五章。第一章介紹了微流控芯片的研究現(xiàn)狀;第二章分析了細(xì)微顆粒分選的常識;第三章是細(xì)微顆粒慣性分選、負(fù)磁泳分選和負(fù)磁泳耦合分選的規(guī)律研究;第四章是細(xì)微顆粒熱泳分選和熱泳耦合分選規(guī)律研究;第五章是本文的總結(jié),得出一些關(guān)于熱泳、磁泳耦合分選的重要結(jié)論,為指導(dǎo)人們研究細(xì)微顆粒分選規(guī)律和設(shè)計(jì)微分選器提供了理論依據(jù),并對我們將來的研究工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O652.6
【圖文】：

第一章 緒論結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張腔（捕獲腔）中的層流微剪切梯度升力和壁面干擾顆粒運(yùn)動的選器中的細(xì)微顆粒在慣性力作用下指定的平衡位置。1961 年，Segre 和下，圓管中的懸浮顆粒遷移到離圓心即“管狀收縮效應(yīng)（Tubular pinch ef”，如圖 1.2 所示。直流道中的顆粒也就是顆粒的聚集位置。圓形截面流

Dean 曳力和多腔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張腔（捕獲腔）中的層流微渦力。度梯度場造成的剪切梯度升力和壁面干擾顆粒運(yùn)動的壁面誘導(dǎo) 1.1 所示。慣性分選器中的細(xì)微顆粒在慣性力作用下發(fā)生側(cè)向狀態(tài)逐漸遷移到指定的平衡位置。1961 年，Segre 和 Silberger在低雷諾數(shù)情況下，圓管中的懸浮顆粒遷移到離圓心 0.6 倍半了一個(gè)圓環(huán)狀，即“管狀收縮效應(yīng)（Tubular pinch effect）”。re-Silberberg 圓環(huán)”，如圖 1.2 所示。直流道中的顆粒在特定雷定的“平衡點(diǎn)”，也就是顆粒的聚集位置。圓形截面流道的平衡處。圖 1.1 流場中顆粒所受的慣性升力示意圖

浙江理工大學(xué)博士學(xué)位論文了一款收縮-擴(kuò)張型的慣性分選器，如圖 1.4 所示。該通道可對濃度為 5%的血液樣本進(jìn)行分選，且分選效果比直通道結(jié)構(gòu)提高了 3 倍。Bhagat 等[12]利用收縮-擴(kuò)張型慣性分選器對血液中的瘧原蟲（直徑約為 1.5μm）進(jìn)行分離，檢測的靈敏度比血涂片技術(shù)提高了約 100 倍。Choi 等[13]在“魚脊型”結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了魚脊收縮-擴(kuò)張型慣性分選器，如圖 1.5 所示。該分選器通過對特定尺寸的目標(biāo)顆粒進(jìn)行三維水動力控制，驅(qū)動目標(biāo)顆粒側(cè)向滾動，而非目標(biāo)顆粒仍然自由流動。在流速為 0.1 μL/s 的條件下，目標(biāo)顆粒的分選純度達(dá)到了 97%左右。Bhagat 等[1利用具有 75 個(gè)收縮腔的收縮-擴(kuò)張型慣性分選器（如圖 1.6），將目標(biāo)顆粒的重新捕獲率提高到 80%以上。但以上應(yīng)用的缺點(diǎn)在于通用性較差，只能對特定尺寸的顆粒進(jìn)行分選。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2768109