旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)式磁珠液體輸送與混合相關(guān)問(wèn)題研究.pdf

1、B y J i a n p e n g L iS u p e r v i s o r ：P r o f ．Z h i h u aL i uM e c h a n i c a lM a n u f a c t u r i n ga n d A u t o m a t i o nS c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n gM a y 2 0 1 2摘要摘 要微流體芯片系統(tǒng)

2、具有試劑消耗量少，反應(yīng)時(shí)間短，高通量并行大規(guī)模反應(yīng)，在線檢測(cè)，成本低，檢測(cè)結(jié)果更加可靠和自動(dòng)化程度更高等特點(diǎn)，目前有著廣泛的生物學(xué)應(yīng)用。在微納尺度下，微流體驅(qū)動(dòng)是微流體芯片系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)微流體芯片系統(tǒng)使用微泵和微閥來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)難于集成、體積較大、驅(qū)動(dòng)效率不是很高。而基于成熟的微型免疫磁珠技術(shù)和電磁M E M S 加工技術(shù)，采用離散液滴驅(qū)動(dòng)的微流體芯片系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的微流體控制和反應(yīng)試樣容量控制，這種微流體芯片系統(tǒng)也是目前

3、國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本文首先闡述了磁珠技術(shù)原理和應(yīng)用，歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外微流體驅(qū)動(dòng)方式的研究現(xiàn)狀，確定了一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)式微流體芯片作為研究對(duì)象；然后介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)和磁珠液滴操控的基本原理，并分析了芯片內(nèi)部磁珠液滴分離、融合、收集、輸送和混合的過(guò)程，重點(diǎn)對(duì)該芯片電磁驅(qū)動(dòng)部件的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。該芯片系統(tǒng)是由多層平面線圈和永磁鐵產(chǎn)生的耦合磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁珠液滴的操控，耦合磁場(chǎng)分布是磁珠操控的關(guān)鍵。耦合磁場(chǎng)分析方法是優(yōu)化芯片參數(shù)的基礎(chǔ)。本研究首先

4、利用畢奧．薩法爾定律和積分方程法得到單層平面微線圈三維磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，并采用數(shù)值計(jì)算工具M(jìn) a t l a b 分析得出微線圈磁場(chǎng)分布及其特性；其次利用有限元工具A n s y s 建立開(kāi)域磁場(chǎng)分布的單層平面微線圈模型，并施加磁場(chǎng)線平行的邊界條件和數(shù)值計(jì)算時(shí)相同的電流載荷，計(jì)算得出與數(shù)值計(jì)算方法相一致的結(jié)果，證明了此有限元分析方法的可行性；然后，基于單層平面微線圈有限元分析方法，建立多層平面微線圈和永磁體模型，得出耦合磁場(chǎng)有限元分析方

5、法；最后利用M a t l a b 和A n s y s 工具提出一種磁珠操控可行性計(jì)算方法。該方法是由A n s y s 強(qiáng)大的后處理功能得出耦合磁場(chǎng)中磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度值，再給出磁珠載體的響應(yīng)參數(shù)，由M a t l a b 可以計(jì)算得出所受磁場(chǎng)力和粘滯阻力，從而判斷磁珠操控的可行性。在基于電磁M E M S 技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)中，可用此方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)平面微線圈相關(guān)參數(shù)。針對(duì)微線圈是復(fù)雜的不規(guī)則幾何體，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格退化和不規(guī)則網(wǎng)格