微流控箍缩流结构近壁流场扰动对微纳米柔性颗粒分离影响的研究

微流控箍缩流技术是将微纳米颗粒聚焦在近壁流场处，利用近壁流场的空间限制，实现不同尺寸微纳米颗粒在微流场中的分离。但对箍缩流分离效果起到决定性作用的近壁流场研究一直未见详细报道。而且对于侧壁面粗度十分敏感的微纳米柔性颗粒（细胞、蛋白等）一直很难获得理想分离效率。因此本项目拟通过高精度MEMS体硅工艺，构建亲水、疏水、超疏水等一系列具有不同表面张力的箍缩流侧壁。并采用microPIV示踪所分离的微纳米颗粒在箍缩流流场近壁处的形态，建立一套完备的箍缩流近壁流场观测分析系统。在以往的研究报道中，由于普遍使用PDMS软光刻工艺构建箍缩流结构，侧壁表面张力的影响被完全忽视。因此本项目将探索侧壁亲水性引起的侧壁流场滑移对于侧壁面粗度所引起的近壁流场扰动的消除能力，澄清箍缩流流场分析中各种因素对近壁流场扰动的影响量级,为箍缩流近壁微流场扰动研究奠定理论和实验基础，进而为有效改进箍缩流结构设计提供理论依据。

本课题基本完成了项目计划书所规定的研究内容与研究目标。通过建立箍缩流有限元流场分析模型，设计、加工，并成功测试了一种基于硅基侧壁的高效分离微粒子样品的箍缩流结构。该结构采用逆流梳齿结构来降低箍缩流结构的缓冲液和样品的流速比，CFD仿真和实验证明该结构可以有效降低缓冲液/样品的流速比（从文献报道的30：1-50：1降到5：1-10：1），并可实现将样品粒子压缩至缩喉区的一个侧面上的箍缩流理想效果。本课题系统性研究了微量调节阀组合调节对于粒子在流场中的流线影响。通过微量调节器组合调节获得目标粒子在特定出口的富集，改变了箍缩流报道中的多出口的粒子出口流出随意性的状况，可以实现在特定出口检测目标粒子。由于有效的降低了缓冲液与样品的流速比，在芯片可以承受的压力范围内，增大样品流速，由以前的0.3-0.8ul/min到现在的10-50ul/min，大大缩短了分离时间，而且由于缓冲液用量的减少，可有效降低缓冲液对目标粒子稀释，避免了以前分离之后目标粒子浓度过低，还要经过一步离心富集才能检测的状况，通过该样品预处理芯片分离出来的粒子浓度较高，甚至可以直接用于检测。针对不同超疏水侧壁面对于微纳米柔性颗粒（血液细胞）进行了粘附性的考察。本课题优化开发了一套简单实用，易于操作且价格低廉的芯片加工封装工艺。并搭建了一套可用于芯片样品注入及粒子在芯片内部流动状态的实时观测系统，可用直接的观测到芯片内粒子的状态，当条件发生改变的时候，使得各种调节更具有针对性。并在此基础上开发了一套微型血凝阻抗检测电路，可以对完成血液预分离的样品进行快速阻抗检测。对于本课题未来进行产业化开发进行了有益的探索。