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微流控設備是如何驅動流量的?

更新時間:2023-01-04   瀏覽次數:49次
  微流控是處理微量液體的設備。液體通過比頭發還細的通道流動,微小的閥門可以控制流體的流動。這些通道由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。移動液體的一種方法是使用機械泵;另一種方法是利用某些材料的表面電荷;還有一種方法是使用所謂的毛細管作用一更常見的說法是吸干。吸液是液體中儲存的能量推動液體通過狹窄空間的過程。
 
  當人們聽到流體流動這個同時,大多數人會想到一條河。水由于重力和高度梯度的影響,從校高的點流向較低的點。當然,這是一個很好的例子。然而,這其中的大部分不能應用于微流控芯片。這是因為流體流動通??梢苑譃橥牧骱蛯恿?。在湍流中(河流的情況),被研究的流體-無論是氣體還是液體-以這樣一種方式運動,它不斷地受到混合和不規則波動的影響。此外,湍流的另一個特征是流體在某一點的速度在方向和大小上都是不斷變化的。相反,在層流中,流體在平行的光滑層(或薄層)中運動。為了確保層流的存在,要求流體具有慢動作、相對較小的流消和相對較粘性的流,動性。沿流動方向的同心小圓柱體可以近似地表示通過小直管的層流的輪廓。在外面的圓柱體,也與管子邊界重合,流體的速度為零,逐漸增加,直到在管子中心達到大值。那么,如何貓述甚至預測流動模式呢?
 

微流控

 

  一般來說,雷諾數小于000的流體被認為是層流,而雷諾數較高的流體被認為是湍流。不幸的是,這里并沒有一個神奇的分界點,而是有一個從1000到5000的過渡梯度,流在這個區間中切換狀態。由未壓縮的納維-斯托克斯方程推導出的雷諾數是一個數學量,它將平均流量、管徑、流體的質量密度和粘度聯系在一起?;蛘?,更簡單地說,它河以表示為作用在流體上的慣性力和粘性力之間的比率。它對微流體領域的重要性不僅來自于預測流動的能力,而且還可以應用于相互作用,如微粒流入,如細菌或微球。
 

微流控

 

  在微流控芯片中,具有低雷諾數的層流流動是人們所追求的。由于在這類設備中有兩種主要的流量控制類型,壓力控制和體積控制,并且設備在尺寸和體積上都非常有限,因此通常很難產生湍流。
 
  然而,一些微流控裝置利用了毛細管流。這是在被動設計中使用的,因為毛細管流不依賴于壓力控制器或注射器泵等外力來誘導流體運動,而是依賴于液體的自發吸出原理,或者更準確地說,當流體分子之間的內聚力弱于它們與管壁的粘附力時發生的毛細作用。微流體工作的一個更合適的例子是側向流動測試的存在。
 
  另一方面,微流控設備依靠外部儀器通過體積或壓力控制器來驅動流量。此外,他們可能會使用其他方法來控制流體流動,例收如用于電泳的電極。準確的控制至關重要,可能會影響設備的預期性能。然而,由于這種準確的控制,與宏觀系統相比,微流控裝置在控制多相流系統方面具有關鍵優勢,具有更高的精度和效率。多相流是指一種以上的液體同時通過多孔介質的流動。在微流體應用方面,表現為液滴的產生、納米顆粒的懸浮、擴散等。
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