基于惯性微流控技术的微纳米粒子操控机理的研究

本项目提出基于惯性微流控技术探索研究一种微纳米粒子高效操控的微流控芯片，为重大疾病早期现场即时检测奠定基础。具体而言：①研究建立变深度直流道、变宽度螺旋流道的惯性微流控芯片测试样机，实现微纳米粒子的排序、组装、分选等操控。②研究惯性微流控芯片粒子流特性，建立粒子与流体之间的耦合模型，并研究开发基于Basset-Boussinesq-Oseen 方程和Navier-Stokes方程来模拟两相流中粒子的分布和迁移特性的计算仿真程序，为芯片的结构优化设计提供理论指导。③研究建立基于无掩模直写光刻的惯性微流控芯片快速、低成本制作工艺，研究应用该工艺特有的灰度光刻技术，设计制作新型的变深度直流道、变宽度螺旋流道的惯性微流控芯片。④构建一套适合惯性微流控芯片的低成本三维观测和表征平台，并整合荧光观测技术、图像处理技术及三维表征平台实现惯性微流控芯片的特性评估。

本项目系统研究了螺旋流道惯性微流控芯片中微粒的高效操控机理，为设计和制造重大疾病早期现场即时检测仪器奠定重要基础，具体研究成果可概括如下：(1) 设计并制作了一套微型化的平面阿基米德螺旋流道惯性微流控操控样机，实现了单一尺寸粒子的排序、提纯和两种不同尺寸粒子的分选等操控功能，并对低雷诺数下不同尺寸粒子在螺旋流道中的动态聚焦特性进行了系统的实验表征研究。（2）发展了一个能够模拟微流场环境下粒子惯性迁移行为的三维耦合模型。该模型采用基于动理论的格子玻尔兹曼方法（LBM）描述流体流动，采用牛顿动力学模型描述粒子的平动和转动行为，采用基于LBM反弹格式的运动边界法实现流体与粒子模型的耦合，并基于该模型模拟了不同大小的球形粒子在环形流道中的迁移行为。（3）建立了一条基于无掩模光刻的惯性微流控芯片快速、低成本制备工艺路线，并针对制备高质量惯性微流控器件所涉及的关键工艺进行了系统实验研究和表征分析。（4）搭建了惯性微流控芯片低成本观测和表征平台，基于图像处理和荧光观测技术实现了高速运动粒子特性的低成本、精确表征。