[发明专利]一种基于动态荧光粉浓度确定均匀扁平微通道平均流速和剪切力的方法

说明书

技术领域

本发明属于细胞生物力学实验装置技术领域，涉及一种利用动态荧光粉浓度确定均匀扁平微通道平均流速和剪切力的方法，是基于流体力学、荧光成像以及图像分析技术检测和计算用于细胞生物力学实验的微流控芯片中均匀扁平微通道内流体平均速度和剪切力的方法。

背景技术

体液流动对在体细胞产生的剪切力调控细胞的正常生理功能。关于流体剪切力与细胞结构和功能之间相互关系的研究是目前细胞生物力学领域研究的热点问题之一。精确地离体模拟细胞的剪切力环境是定量研究剪切力与细胞功能之间相互关系的前提。近年来涌现的微流控(microfluidics)技术是离体模拟细胞剪切力环境的重要手段之一，而如何检测微通道中的流速和剪切力是确保定量研究微通道中培养细胞力学行为的关键。

目前，该领域有一些常见的确定微流控通道流速和剪切力的实验方法。例如，利用热膜传感器直接检测微流控通道壁面附近的流速分布，通过速度梯度计算壁面剪切力，此类方法需要将高精度的传感器植入微流控芯片内，提高了微流控芯片本身的制作成本和复杂性；通过记录微珠等粒子在流体内随时间变化的相对位移，基于此推导出流体的速度和剪切力，此类方法不仅需要往流体中添加价格昂贵的微珠，而且需要空间分辨率很高的微珠运动图像捕获设备。

由于通常用于离体细胞培养的微通道是高度远小于横向和纵向几何尺寸的扁平微通道。根据这一特殊的几何约束特征，以及通道内流动的特征，本发明提出一种利用动态荧光粉浓度确定均匀扁平微流控通道平均流速和剪切力的方法。

发明内容

本发明是一种利用动态荧光粉浓度确定均匀扁平微流控通道内流体平均流速和剪切力的方法。该方法将荧光成像技术和流体力学原理结合起来，通过对荧光粉溶液在均匀扁平微通道中的对流-扩散方程进行逆向求解，利用荧光成像技术检测荧光粉溶液的浓度大小进一步计算出微通道内流体的平均速度和底部剪切力。

本发明的技术方案：

一种基于动态荧光粉浓度确定均匀扁平微通道平均流速和剪切力的方法，步骤如下：

待检测的均匀扁平微通道的高度H远小于宽度W和长度L，该方法采用的装置包括动态的荧光粉溶液产生装置、均匀扁平的微流控芯片、荧光显微镜和废液回收容器；其中动态的荧光粉溶液产生装置包括可编程控制的泵、可编程控制的注射器和三通接口，可编程控制的泵和可编程控制的注射器通过三通接口导入至均匀扁平的微流控芯片，均匀扁平的微流控芯片上的废液直接通入废液回收容器；荧光显微镜进行实时记录并得到一系列的荧光图像。

从均匀扁平微流控芯片入口处加载浓度随时间变化的荧光粉溶液，保证宽度x方向的荧光粉浓度相同；动态荧光粉溶液在均匀扁平微通道中传输受到流动的影响，并满足对流-扩散方程

其中，t为时间，x,y,z分别是宽度、高度、长度方向的坐标，φ＝φ(y,z,t)是荧光粉溶液浓度，u_z＝u_z(y,t)是流体速度，D是荧光粉扩散系数；由于均匀扁平微通道几何尺寸很小，且均匀扁平微通道中的流体运动为小雷诺数流动，Womersley数很小，满足准定常假设条件，因此微通道中的流速和底部剪切力分别满足

其中，为高度方向的平均流速，η表示粘度系数；

由于均匀扁平微通道高度很小，荧光粉溶液在高度方向上形成均匀浓度。因此，高度方向上的平均浓度定义为

满足Taylor-Aris弥散方程

D_eff称为有效扩散系数，满足

以空间步长Δz将长度沿z方向均匀离散，网格点为z_i，其中i＝1,2,..i,...I+1，同时用时间步长Δt将时间t均匀离散，时间网格点为t_k，其中k＝1,2,...k,...K+1，I表示空间方向离散段数，K表示时间网格离散格数，则方程(5)用有限差分近似为

其中，分别表示t_k时刻z_i-1、z_i、z_i+1位置处的荧光粉溶液浓度，表示t_k-1时刻z_i位置处的荧光粉溶液浓度；通过荧光显微镜测得各个时刻均匀扁平微通道中的荧光粉溶液浓度分布，得到时间间隔为Δt的一系列荧光图像。把荧光图像的每个像素点看作荧光粉溶液浓度的采样点，使相邻像素间的距离为上述的Δz。