一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法 |
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| 申请号 | CN202210922622.4 | 申请日 | 2022-08-02 | 公开(公告)号 | CN115410745A | 公开(公告)日 | 2022-11-29 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 晋刚; 罗宇恒; 蔡吴磊; 梁显荣; 王蒙蒙; 任国振; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法；被控粒子位于轴线平行且不同轴的内筒和外筒之间的流场中。在给定内外筒半径比的情况下，本发明通过实时改变内外筒 角 速度 和轴间距来不断调节粒子所在点的流场速度方向及大小，使被控粒子沿设定方向运动，从而实现操控粒子运动轨迹的目的。相比于目前已知的 流体 动 力 粒子操控方法，该方法具有粒子运动范围大、控制方法简单、流场作用力小的特点，可为 微 生物 分析、 疾病 诊断、药物运输等前沿科学领域提供一种新的实验手段。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法，其特征在于包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法技术领域[0001] 本发明涉及操控粒子运动的方法，尤其涉及一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法。 背景技术[0002] 近年来，不断发展的测量分析技术使分析研究单个微纳粒子的物理、化学、生物等特性成为可能。这类粒子包括：单个的磁性或介电粒子、单个的细胞、甚至单个的DNA分子等。通常来说，某些微粒需要放置在液体环境中观察，由于粒子过小，为了克服布朗运动效应，必须对其进行精确的捕捉或操控，才能保证其始终位于有效分析场域中。因此流体中的粒子操控技术是微粒分析技术中的关键技术，在微生物分析、疾病诊断、药物运输、表面自清洁等前沿科学领域中具有广阔的应用前景。 [0003] 目前比较成熟的流体动力驱动粒子的操控方法都是基于平面驻点流，但这一方法由于驻点所处的流动势阱本身具有不稳定性，导致粒子控制难度较高，同时驻点处流体对于粒子作用力也较大，不适合应用于柔性粒子特别是有生命活性的粒子。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法。针对现有实际情况和对粒子操控的需求，本发明用偏心圆筒流操控粒子运动的方法，能够实现对流场中粒子温和、精准和大范围的操控。 [0005] 本发明通过下述技术方案实现： [0006] 1、一种用偏心圆筒流操控粒子运动的方法，其特征在于包括如下步骤： [0007] 步骤一：将被控粒子1置于轴线平行、且不同轴的内筒3与外筒2之间的流场中；流场作为被控粒子1的操控区域； [0009] 步骤二：根据步骤一获得的实时动态数据，建立以内筒3圆心为坐标原点的直角坐标系，并以被控粒子1当前坐标为轨迹起点，在被控粒子1的操控区域内选择任意一条曲线作为粒子的操控轨迹； [0010] 步骤三：根据精度要求选择合适的时间间隔对整个轨迹运动时间，进行离散化处理，确定每个时间间隔内轨迹的速度方向和大小； [0011] 步骤四：将被控粒子1运动的速度方向与该点流场速度方向视为一致；根据步骤三中得到的速度方向及大小，利用有限差分法结合偏心圆筒流解析解，得到每一个时间间隔下相对应的内筒3的角速度ωi、外筒2的角速度ωo与内外筒的轴间距(偏心距)e的数据。 [0012] 步骤五：依据步骤四所得到的数据，实时调整内筒3的角速度wi、外筒2的角速度wo与内外筒的轴间距(偏心距)e，从而使被控粒子1沿设定的方向运动，最终实现被控粒子1沿设定轨迹在流场中运动。 [0013] 内筒3与外筒2的半径比可调，即通过更换不同半径的内筒3与外筒2来实现。 [0014] 内筒3与外筒2的角速度，能实时调整，或者内筒3与外筒2角速度比，能实时调整。 [0015] 内筒3与外筒2的轴间距，能实时调整，或者内筒3与外筒2的偏心比，能实时调整。 [0016] 被控粒子1为聚合物粒子、载药粒子、细胞﹑微纳米器件、液滴﹑微泡或者动态生物体。 [0017] 内筒3与外筒2的轮廓几何形状为圆形、椭圆形或者矩形。 [0019] 本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果： [0020] (1)偏心圆筒流场尺寸大，因此粒子的运动范围也较大。 [0021] (2)在内外筒半径尺寸确定的情况下，该方法仅需控制内外筒的角速度与轴间距(偏心距)便可操控粒子的运动轨迹，控制方法简单。 [0022] (3)该方法流体对粒子的作用力小，不会对具有生命特征的粒子造成伤害，也不会导致粒子过度变形或破裂。 [0024] 图1是本发明用偏心圆筒流操控粒子运动的示意图； [0025] 图2是本发明用偏心圆筒流操控粒子运动的装置示意图。 具体实施方式[0026] 下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。 [0027] 如图1、图2所示，本发明以用偏心圆筒流操控被控粒子1在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的运动为实例；所述被控粒子1采用尼龙粒子。 [0028] 尼龙粒子位于轴线平行、且不同轴的内筒3和外筒2之间的流场中。 [0029] 内筒3的半径Ri与外筒2的半径Ro可通过更换其他尺寸半径的内外筒来改变； [0030] 内筒3的角速度wi、外筒2的角速度ωo与内外筒的轴间距(偏心距)e可实时精确控制，通过成像装置4可以实时观察流场中尼龙粒子的位置。 [0031] 用偏心圆筒流操控尼龙粒子运动的步骤如下： [0032] 步骤一：将内筒3与外筒2清洗干净后，往外筒2中倒入PDMS溶液，将尼龙粒子引入到外筒2的粒子操控区域中，可通过成像装置4观察到尼龙粒子； [0033] 步骤二：以内筒3圆心为坐标原点，建立x‑y直角坐标系，并以此坐标系为参考坐标系，以尼龙粒子当前坐标作为轨迹起始点，在操控区域内选择一条曲线作为尼龙粒子的操控轨迹； [0034] 步骤三：以设定时间间隔对整个轨迹运动时间进行离散化处理，确定每个时间间隔内轨迹速度的方向和大小； [0035] 步骤四：将尼龙粒子运动的速度方向与该点流场速度方向视为一致。根据步骤三中得到的速度方向及大小，利用有限差分法结合偏心圆筒流解析解，可得到每一个时间间隔下相对应的内筒3的角速度ωi、外筒2的角速度ωo与内外筒的轴间距(偏心距)e； [0036] 步骤五：依据步骤四所得到的数据，实时调整内筒3的角速度wi、外筒2的角速度wo与内外筒的轴间距(偏心距)e，从而使尼龙粒子沿设定的方向运动，最终实现尼龙粒子沿设定轨迹运动。 [0037] 本发明在给定内筒3和外筒2半径比的情况下，可通过实时改变内筒3和外筒2角速度和轴间距(偏心距)来不断调节粒子所在点的速度方向及大小，从而精确地操控尼龙粒子的运动轨迹，该方法的尼龙粒子运动范围大且控制方法简单。 [0038] 从图2可见，内筒3置于外筒2内，二者之间有间隙；二者轴线平行，但不同轴；二者可相对旋转(包括同向或者逆向旋转)，且速度可独立调节。 [0039] 偏心圆筒流解析解的出处是:Ballal B Y,Rivlin R S.Flow of a Viscoelastic Fluid Between Eccentric Rotating Cylinders[J].Transaction of the Society of Rheology.1976,1(20):65‑101。 [0040] 成像装置4为工业相机。 [0041] 如上所述，本发明在给定内筒3和外筒2半径比的情况下，通过实时改变内筒3和外筒2角速度和轴间距来不断调节粒子所在点的流场速度方向及大小，使被控粒子沿设定方向运动，从而实现操控粒子运动轨迹的目的。 [0042] 相比于目前已知的流体动力粒子操控方法，本发明具有粒子运动范围大、控制方法简单、流场作用力小的特点，可为微生物分析、疾病诊断、药物运输等前沿科学领域提供一种新的实验手段。 [0043] 本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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