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微流控设备是如何驱动流量的?

更新时间:2023-01-04   浏览次数:80次
  微流控是处理微量液体的设备。液体通过比头发还细的通道流动,微小的阀门可以控制流体的流动。这些通道由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制成。移动液体的一种方法是使用机械泵;另一种方法是利用某些材料的表面电荷;还有一种方法是使用所谓的毛细管作用一更常见的说法是吸干。吸液是液体中储存的能量推动液体通过狭窄空间的过程。
 
  当人们听到流体流动这个同时,大多数人会想到一条河。水由于重力和高度梯度的影响,从校高的点流向较低的点。当然,这是一个很好的例子。然而,这其中的大部分不能应用于微流控芯片。这是因为流体流动通常可以分为湍流和层流。在湍流中(河流的情况),被研究的流体-无论是气体还是液体-以这样一种方式运动,它不断地受到混合和不规则波动的影响。此外,湍流的另一个特征是流体在某一点的速度在方向和大小上都是不断变化的。相反,在层流中,流体在平行的光滑层(或薄层)中运动。为了确保层流的存在,要求流体具有慢动作、相对较小的流消和相对较粘性的流,动性。沿流动方向的同心小圆柱体可以近似地表示通过小直管的层流的轮廓。在外面的圆柱体,也与管子边界重合,流体的速度为零,逐渐增加,直到在管子中心达到大值。那么,如何猫述甚至预测流动模式呢?
 

微流控

 

  一般来说,雷诺数小于000的流体被认为是层流,而雷诺数较高的流体被认为是湍流。不幸的是,这里并没有一个神奇的分界点,而是有一个从1000到5000的过渡梯度,流在这个区间中切换状态。由未压缩的纳维-斯托克斯方程推导出的雷诺数是一个数学量,它将平均流量、管径、流体的质量密度和粘度联系在一起。或者,更简单地说,它河以表示为作用在流体上的惯性力和粘性力之间的比率。它对微流体领域的重要性不仅来自于预测流动的能力,而且还可以应用于相互作用,如微粒流入,如细菌或微球。
 

微流控

 

  在微流控芯片中,具有低雷诺数的层流流动是人们所追求的。由于在这类设备中有两种主要的流量控制类型,压力控制和体积控制,并且设备在尺寸和体积上都非常有限,因此通常很难产生湍流。
 
  然而,一些微流控装置利用了毛细管流。这是在被动设计中使用的,因为毛细管流不依赖于压力控制器或注射器泵等外力来诱导流体运动,而是依赖于液体的自发吸出原理,或者更准确地说,当流体分子之间的内聚力弱于它们与管壁的粘附力时发生的毛细作用。微流体工作的一个更合适的例子是侧向流动测试的存在。
 
  另一方面,微流控设备依靠外部仪器通过体积或压力控制器来驱动流量。此外,他们可能会使用其他方法来控制流体流动,例收如用于电泳的电极。准确的控制至关重要,可能会影响设备的预期性能。然而,由于这种准确的控制,与宏观系统相比,微流控装置在控制多相流系统方面具有关键优势,具有更高的精度和效率。多相流是指一种以上的液体同时通过多孔介质的流动。在微流体应用方面,表现为液滴的产生、纳米颗粒的悬浮、扩散等。
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