【分析】正弦形微流道中颗粒差异化惯性聚焦的调控机理学术资讯

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注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

对微纳米颗粒（如细胞、细菌、病毒、蛋白质或DNA等）的精准操控一直是科学家们孜孜不倦追求的目标，而利用微流道中流体高速流动下特有的动力学特性来实现颗粒空间位置的精确控制是一种简单且高效的处理方式。近日，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的张俊博士及其合作者通过实验测试和理论分析，阐释了微颗粒在正弦形微流道中不同流动聚焦现象的调控机理。这一成果最近发表在美国化学学会(ACS)旗下期刊Analytical Chemistry上，并选为封面文章报道，张俊博士为文章第一作者及通讯作者，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的主任Nguyen Nam-Trung教授为文章的共同通讯作者。

连续聚焦和分离微纳米尺度生物颗粒在生物医学领域具有广泛的应用。相对于传统宏观尺度的技术平台，微流控技术由于其特征尺寸小至数十至数百微米之间，与被操控的粒子尺寸在同一量级，其在微纳米颗粒操控方面具有独特的精度优势。在各种微流控分离技术中，利用流体动力学惯性效应聚焦和分离颗粒的技术（惯性微流控技术，Inertial Microfluidics）具有高通量、高精度、简单及可靠的特点，从而成为一种极具吸引力的方式。科学家们已经成功将该微流控技术应用于血液分离、血浆提取、细胞洗涤、细胞富集、循环肿瘤细胞分离、疟疾病原体纯化检测、微纤维制造、细胞生长周期同步、细胞封装及单细胞机械表型测试等等。由于目前惯性聚集和分离机理研究的局限以及缺乏可靠的设计指南，为了分离特定尺寸的粒子，管道结构尺寸的设计主要还是依赖于比较盲目且耗时耗力的实验测试和迭代修正。

基于此需求，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的张俊博士及其合作者系统地研究了正弦型流道中流体流速、颗粒尺寸以及管道形状尺寸对颗粒差异化聚焦的调控机理。基于惯性升力和迪恩拖拽力的幅值比，推导出一种包含四个无量纲参数（粒子阻塞率、曲率比、迪恩数和通道高宽比）的显式比例因子。该团队在大量实验和理论分析的基础上，把颗粒差异化聚焦模式与该比例因子的关系总结在一个二维工作图谱中。该工作图谱可以用来帮助预测特定尺寸粒子在正弦型管道中的聚焦状态，同时也可以辅助设计分离特定颗粒的管道结构尺寸，并减少实验测试的工作量。文章最后也验证设计了一种正弦微流道结构，成功应用于10微米和15微米聚乙烯颗粒的连续分离。基于此项工作，张俊博士团队正在分别与澳大利亚红十字会血液服务中心的Robert Flower教授和强生医药（Johnson& Johnson）公司合作发展该微流控技术的生化应用。

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