[发明专利]一种基于物质浓度的时空梯度反演均匀扁平微流通道内平均流速的优化方法

说明书

本发明提供了一种基于物质浓度的时空梯度反演均匀扁平微流通道内平均流速的优化方法，属于微流控芯片技术领域。所用的实验装置包括物质浓度的时空梯度生成装置、具有均匀扁平微流控通道的微流控芯片，光学成像仪器和废液回收装置四部分。本发明利用光学成像技术获得微通道内流动物质溶液的时空浓度梯度分布，基于流体力学原理得到描述微通道内高度方向上平均物质浓度与平均速度定量关系的Taylor‑Aris弥散方程，结合优化问题中最小化目标函数的思想，进一步计算出均匀扁平微通道内流体沿高度方向的平均速度。

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种基于物质浓度的时空梯度反演高度远小于横向和纵向几何尺寸的均匀扁平微流通道内平均流速的新方法，是一种基于流体力学原理、光学成像、图像分析以及优化问题的方法。

背景技术

近年来，随着微流控芯片技术在包括化学、生命科学、医学等相关领域的广泛应用，流体在微流动器件内部的流动行为成为重要的研究内容。速度是流场最主要的特征参数之一，因此微流控通道流速的测量对于实现微量多相流体的精准操控，构建复杂的离体生物力学微环境，控制生化反应过程等都具有重要意义。

高度远小于横向和纵向几何尺寸的均匀扁平微流通道通常用来研究物质混合、细胞生物力学等，其高度方向平均流速的测量是定量分析壁面剪切力和物质输运规律的前提。常见的微尺度粒子图像测速方法(micro-PIV)，其示踪粒子大小与微通道几何尺寸量级相同，因此粒子跟随性和遮挡等问题都会使测量结果产生误差。为克服这一缺陷，申请者提出了一种基于动态荧光粉(纳米量级)浓度确定均匀扁平微通道平均流速和剪切力的方法(定义为方法(一)，详见发明专利ZL201610139388.2)。然而，这种方法在实际应用中存在明显的失真现象。因此，迫切需要对这一方法进行改进，提高流速确定方法的准确率。

本发明基于优化原理，提出一种通过测量物质浓度的时空分布，根据流场中的物质输运方程能准确反演均匀扁平微通道内沿高度方向平均流速的方法。

发明内容

本发明是一种基于物质浓度的时空梯度来求解均匀扁平微流通道内高度方向平均流速的优化方法。该方法利用光学成像技术(无标记光学成像或荧光标记光学成像技术)获得微通道内流动物质溶液的时空浓度梯度分布，基于流体力学原理得到描述微通道内高度方向上平均物质浓度与平均速度定量关系的Taylor-Aris弥散方程，结合优化问题中最小化目标函数的思想，进一步计算出均匀扁平微通道内流体沿高度方向的平均速度。

本发明的技术方案如下：

一种基于物质浓度的时空梯度反演均匀扁平微流通道内平均流速的优化方法，待检测的微通道为均匀扁平直通道，建立平面直角坐标系如图1所示，微通道的长度方向为z轴，宽度方向为x轴，高度方向为y轴，微通道的高度H远小于宽度W和长度L。如图2所示，物质浓度的时空梯度生成器1在均匀扁平微流控芯片的入口边界处加载浓度随空间和时间变化的物质溶液。随时空动态变化的物质溶液在微通道中传输会受到对流和扩散的影响，满足如下对流-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(x,y,z,t)是物质溶液的浓度，u_z＝u_z(y,t)是纵向待测流体速度，D是物质的扩散系数。

由于均匀扁平微通道几何尺寸在微米量级，微通道中的流体流速仅考虑沿纵向方向的分量且流速值较小，因此流体运动为小雷诺数流动Re1；进一步假定微通道中的流动满足准定常条件，进而微通道中的流速满足：

其中，为高度方向的平均流速。

由于微通道的高度H很小，物质很容易在y方向形成均匀分布，因此，本方法仅考虑高度方向的平均浓度定义为：

方程(1)～(3)经过化简得到Taylor-Aris弥散方程：