[发明专利]一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法

说明书

本发明提供了一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法，属于微流控芯片技术领域。采用多孔介质薄层构成复杂的多孔不透明结构，利用石墨烯薄膜对微流控通道的温度进行控制，将纳米粒子的微尺度运动和自然界重力巧妙的结合起来，由入口液面高度生成的重力产生微尺度流动，形成双层微流控芯片装置；相较于其他模拟装置，本装置不需要施加外部组件且操作简单。采用蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，相较于其他折射率调节的方法和流速测量的方法，本设计无毒、透明、无接触、易操作且精准。本发明设计可用于材料成型、石油采收、土质研究、基础生物医学研究和临床快速检测等应用。

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法，即基于微流控技术构建一种模拟复杂微流动环境的装置，并提出一种基于纳米粒子追踪技术的流速测量方法。

背景技术

复杂环境中的纳米颗粒运动在生命演化、信息传递、药物输运等过程中至关重要。评估和分析纳米颗粒在复杂环境中运动的能力对于药物输运、石油采收、土壤保护、材料成型以及动物生理和病理生理学的模型研究非常重要。目前，大多数研究是在静态、常温、透明模型中进行，然而，实际的复杂环境常见为不透明的多孔结构且纳米颗粒的运动往往还伴随着温度的变化和微尺度流动，如纳米药物在生物组织中的输运、土壤中天然纳米颗粒的扩散和迁移。近年来，由于微流控技术的发展，已经建立了多种的二维和三维微模型来研究多孔介质中的流动和输运现象；然而，现有技术难于精准构建复杂微流动模拟装置，现实多孔介质的不透明性使得可视化非常具有挑战性，同时很难对微尺度流动进行无接触、精确的测量。较大程度上制约了材料成型、土质研究、基础医学研究和临床检测应用等的发展。因此，亟需建立流速可测、温度可控、成本低廉、操作便捷的复杂微流动环境的模拟装置。

复杂介质模拟装置一般采用透明的多孔介质，易于介质内部的观察、成像与控制。例如以下发明：一种用于模拟土壤孔隙的微模型及其制备方法(专利号：CN202110446507.X)、基于3D打印制备透明软体人体内脏模型的方法(专利号：CN201710240789.1)；现实复杂介质的结构复杂且不透光，对于不透明的多孔结构就需要对折射率进行匹配，折射率匹配目前研究者提出了很多种方法，例如如下专利：折射率匹配液及其在玻璃的光学检测中的应用(专利号：CN202110709177.9)、可调折射率聚合物(专利号：CN202011275435.9)，这类折射率匹配的溶液往往以有毒、刺鼻的、不常见的化合物为主，目前没有得到广泛的市场应用。在这些模拟装置中纳米颗粒运动的研究一般在常温、静态下进行，并且在微流控领域中流动微环境一般通过微泵控制。例如以下发明：一种纳米颗粒测量装置(专利号：CN201220525172.7)、一种用于观察纳米颗粒微观运动的实验装置(专利号：CN201820778995.8)、一种微细颗粒纳米气泡浮选方法及系统(专利号：CN201910889690.3)、一种用于制备Fe3O4磁性纳米颗粒的流体合成制备装置及其控制方法(专利号：CN201910573580.6)。实际的复杂环境中纳米颗粒的运动往往还伴随着温度的变化和微尺度流动，对于极其微小的微尺度流动，微泵控制可能因操作、耗电和保养等问题造成速度不稳定或不准确的情况。

复杂环境中的微尺度流动在不影响流体运动状态的情况下很难精确测量，目前存在的速度测量方法主要用电流表测量。第一代仪器，即旋转流量计，应用广泛，价格相对低廉。如一种麻醉机用旋转浮子流量计(专利号：CN201680036775.1)，随着不断的改进，该技术已经成熟，但这种仪器必须插入流体中才能测量流场，从而造成干扰。第二代超声波多普勒测速仪是一种非接触式、高精度的仪器，已被广泛研究为一种有前途的仪器，如一种超声多普勒测速仪(专利号：CN201310047089.2)，但超声波会对纳米颗粒运动产生影响，且相对昂贵，不适合在浓度大的多孔环境中使用。近年来，纳米粒子追踪技术的发展允许以纳米空间和毫秒时间分辨率重建单粒子轨迹，可以无接触地提供细节的位移信息以便进行统计分析，可应用于复杂微流动流速的测量。