[发明专利]一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置

权利要求书

1.一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成；

所述的微流控芯片为两入口和两出口的直通道；直通道的出口端分三支流，其中一支流连通一个出口，即为直通道左内端口；另外两支流回合后连通另一个出口，即为直通道左外端口；直通道的入口端的设置形式与出口端的设置形式相同；三对永磁铁对称布置在直通道两侧等距离位置，用于产生非均匀磁场；

压力系统、储液池I、控制系统I和微流控芯片共同构成振荡流控制系统，用以产生可调制振荡流动；控制系统I主要由脉冲信号发生器I、信号反相器I、高速三通阀I和高速三通阀II组成；高速三通阀I和高速三通阀II上的阀门分别与直通道两外端口相连，均分为上阀门和下阀门，分别用于控制一端的两个口；高速三通阀I与脉冲信号发生器I直接相连，高速三通阀II与信号反相器I相连，信号反相器I进一步与脉冲信号发生器I相连；当某一脉冲信号输入，高速三通阀I和高速三通阀II交替打开上阀门、下阀门，实现直通道左右外端口交替地反对称打开；储液池I中样品溶液被压力系统驱动进入导管，经控制系统I即在微流控芯片直通道中产生周期性振荡流动，振荡周期为T_fluid；磁流体流动速度通过调节压力来改变，振荡周期T_fluid则通过调节脉冲信号周期来改变；

控制系统II与储液池II构成收集器，用于收集充分汇聚的目标颗粒；控制系统II主要由脉冲信号发生器II、信号反相器II、高速两通阀I和高速两通阀II组成；

高速两通阀I和高速两通阀II中一阀门分别与直通道左右内端口相连；高速两通阀I与脉冲信号发生器II直接相连，高速两通阀II与信号反相器II相连，信号反相器II进一步与脉冲信号发生器II相连；当某一脉冲信号输入，高速两通阀I和高速两通阀II交替开关阀门，实现直通道左右内端口交替地打开，充分汇聚的目标颗粒经由导管从左内端口或右内端口汇入收集器；直通道左右内端口的开关状态与振荡流方向同步，收集周期T_collect与振荡流周期T_fluid的定量关系可通过预实验来确定；

储液池III为废液池，用于收集可循环使用的磁流体；所有部分以导管连接；

将混入样品颗粒的磁流体加到储液池I中，开启压力系统，先后启动控制系统I、启动控制系统II，装置即开始工作，目标颗粒完成高效汇聚后由储液池II自动收集；微流控芯片中直通道的中间部分是颗粒汇聚区域，颗粒汇聚是在负磁泳效应和惯性效应的共同作用下完成；

负磁泳效应：直通道两侧布置三对永磁铁，两两N极相对，且与直通道两侧保持相等距离，产生对称分布的磁场；在某振荡周期的任意单向流动中，含有样品颗粒的磁流体通过直通道，在非均匀磁场作用下，样品颗粒受到负磁泳力作用，负磁泳力F_mag表示为：

其中，V_p为样品颗粒体积，χ_p为样品颗粒的磁化率，χ_f为磁流体的磁化率，μ₀＝4π×10^-7H/m是真空磁导率，B为磁感应强度；直通道两侧均有磁场分布，负磁泳力推动样品颗粒在远离磁源的方向运动，即产生垂直于流动方向、指向直通道中线的侧向运动；

惯性效应：根据流体力学原理，在较高流速流动中，样品颗粒会受到惯性升力作用，惯性升力由壁面升力和剪切梯度升力组成，其表达式为：

其中，ρ_f代表磁流体密度，U_m是通道中磁流体的平均流速，a为样品颗粒直径，D_h＝2WH/(W+H)代表直通道截面水力半径；f_L代表净惯性升力系数，与流动雷诺数Re_c和颗粒所处位置x_c相关，雷诺数越高，颗粒离通道两侧越近，惯性升力越大；惯性升力亦推动样品颗粒，进行垂直于流动方向、指向通道中心区域的侧向运动。

2.根据权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，直通道中的流动为振荡流，所述的直通道截面的宽度为百微米量级，直通道宽高比为2-4，直通道长度为厘米级，通道两侧对称布置永磁铁。