微流控系統(tǒng)的磁泳運動仿真和實驗研究.pdf

1、微流控技術是一個包括了工程學、物理學、化學、電磁學、材料學、流體力學、微加工和生物工程等相關領域的多交叉學科，該技術涉及到試劑采樣、反應、混合、檢測和分離等等基本操作，具有節(jié)約樣品、高效率、高度集成化和低廉的成本要求，應用前景非常廣闊。而納米磁性材料的出現(xiàn)，由于其良好的超順磁性、生物相容性、穩(wěn)定性以及易于實現(xiàn)生化修飾等優(yōu)點，在磁場作用下，可以實現(xiàn)磁性微粒的可控性，使得微流控技術的發(fā)展得到了更廣泛的關注和研究。顆粒在磁場作用下的“泳動”現(xiàn)

2、象稱為磁泳。與磁場相結合的微流控技術中，載體磁性粒子的研究近年來得到了國內(nèi)外眾多學者的關注，磁場作用下的磁泳運動研究也有了一定的研究。
　　本文基于流體力學和電磁學理論，分析了磁泳過程中磁性粒子在梯度磁場和流場共同作用下的受力情況，并通過理論分析、有限元數(shù)值模擬和實驗驗證等手段，對微管道內(nèi)磁性粒子的磁泳行為進行了探索和研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　建立了微管道內(nèi)磁性粒子在梯度磁場和流場共同作用下的動力學理論和數(shù)值模型。以柱形

3、永磁體作為磁源，推導了二維簡化模型中在磁場作用下磁性粒子的磁泳軌跡的解析表達式。在此基礎上，研究了微管道內(nèi)磁性微粒的磁場力與所受粘滯阻力的平衡關系，對比分析了不同粒徑和不同磁源-微管道間距對磁泳捕獲效率的影響。進一步為了驗證該解析表達式，本文提出采用Matlab和COMSOL有限元法相結合的數(shù)值求解方法，對同一模型下的磁性粒子的磁泳行為進行了對比分析?？梢钥闯鲈谕瑯蛹僭O條件下，兩種方法求解結果基本相同。同時，基于本數(shù)值求解方法，亦考慮粒

4、子磁徑向速度（在解析法中忽略）對磁泳行為的影響，并通過與數(shù)值模型的結果進行對比，分析了結果差異的原因所在。
　　提出了基于PCB印制電路板的微流控系統(tǒng)的搭建方法。文章探討了四種不同的微管道加工方法，綜合考慮加工水平、周期和成本的因素，提出了設計基于PCB印制電路板的微流控系統(tǒng)的制作方案，在此基礎上，搭建有限元仿真模型，研究了PCB印制電路板走線通電情況下磁流體的磁泳運動，研究外加恒定磁場對微管道內(nèi)磁流體磁泳運動的影響，對磁性微粒的