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粒子冲击钻井系统中粒子分选装置的研制

天然气工业 2014年第8期34卷 97-101页

作者：周爱照刘永旺赵健徐依吉毛炳坤中国地质大学(北京) 中国石化胜利油田黄河钻井三公司中国石油大学(华东)

粒子冲击钻井过程中,能否快速高效地分离出已破碎粒子直接关系到粒子冲击钻井的效率。为此,以综合利用粒子旋转的离心力和外部注入气流的气流拖拽力来实现好、坏粒子分离的新思路为指导,设计出了由分选装置、引风机2个部分组成的粒子分... 详细信息

粒子冲击钻井过程中,能否快速高效地分离出已破碎粒子直接关系到粒子冲击钻井的效率。为此,以综合利用粒子旋转的离心力和外部注入气流的气流拖拽力来实现好、坏粒子分离的新思路为指导,设计出了由分选装置、引风机2个部分组成的粒子分选装置。进而通过调节电机转速和引风机的引风量参数,实验研究了分选装置的分离效果及其影响因素。结果认为:1钢粒子的分散性是影响分级效率和分离处理量的重要条件,获得较大力场可为获得较好分散创造有利条件;2钢粒子在分选装置中旋转越快,分选装置分级效率越高;3粒子直径越大,分选装置分级效率和处理量越大;4好坏粒子混合物中的坏粒子的相对含量会影响分级效率,坏粒子含量越低,分级效率越高。实验结果表明,设计的粒子分选装置能够有效实现好坏粒子的分离,这为粒子冲击钻井技术的实现提供了设备上的支持和理论上的保障。

关键词：粒子冲击钻井粒子分选分离效果分级效率影响因素设计处理量实验

基于聚焦型声表面波的粒子分选微流控芯片设计与实验研究

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基于聚焦型声表面波的粒子分选微流控芯片设计与实验研究

作者：马祥吉林大学

学位级别：硕士

微流控芯片因具备微型化、便携化、成本低、试剂消耗少的优势,在生物、化学、材料学、医学等领域受到学者们的广泛关注。当前,随着微流控技术的日益成熟,微流控芯片已逐渐展现出取代传统生化、医学领域所实现的各样功能的趋势,如检测、... 详细信息

微流控芯片因具备微型化、便携化、成本低、试剂消耗少的优势,在生物、化学、材料学、医学等领域受到学者们的广泛关注。当前,随着微流控技术的日益成熟,微流控芯片已逐渐展现出取代传统生化、医学领域所实现的各样功能的趋势,如检测、细胞定位、分选、混合、反应等。其中分选作为重要的功能之一,对药物合成、药物开发、医学检测、诊断学等领域均有重要意义。本文基于微流控技术,提出一种流道表面经浸润性处理的聚焦型声表面波微流控分选芯片,通过调节流速、输入功率等控制参数,实现粒子间的分离、分选。全文具体研究工作有:论述了声表面波器件的组成及其工作原理,对比材料性能,采用128°Y-X铌酸锂作为声表面波器件的基底材料,然后初步确定聚焦型叉指换能器的指间宽、指间距、叉指对数、聚焦角度、聚焦长度及叉指换能器材料,随后进行悬浮颗粒在声场中的受力分析,最后介绍了浸润性相关理论。基于COMSOL仿真软件对声表面波器件进行模态、谐响应及瞬态分析,然后根据聚焦型叉指换能器参数,对其进行叉指对数、聚焦长度及聚焦角度分析。随后对流道入口的流速比进行仿真分析,确定三个入口最佳流速比率,在此流速比下,通过改变流速分析粒子在流道内的运动情况,并最终确定分选流道的最佳平均流速为4mm/s。根据理论及仿真分析结果,设计并制作粒子分选芯片,用于分选两种及三种类型的粒子。首先采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)制造技术进行声表面波器件和流道下模板的制作,随后设计微流道系统模具,并采用模塑法制作三个PDMS微流道系统,其中微流道表面分别采用超亲水处理、超疏水处理及不进行处理,然后采用自然键合法分别完成三种表面的微流道与声表面波器件的键合,最后经后续处理得到微流控分选芯片。本文利用设计制作的聚焦型声表面波微流控分选芯片进行实验研究。首先设计实验方案并搭建实验平台,进行了声流效应测试及三种流道表面对粒子的黏附性实验,基于该实验分别进行了不同输入功率及平均流速下粒子的偏转实验研究,最终通过调整输入功率进行直径1μm,10μm与直径1μm,5μm,10μm粒子的分选实验。实验结果表明:在输入能量一定时,随着分选流道平均流速的减小,10μm粒子偏转距离逐渐增大;与此相同,在分选流道平均流速一定时,随着输入能量的增加,10μm粒子偏转距离也逐渐增大。此外,声表面波分选芯片对小直径粒子几乎无影响,仅当粒径一定时声表面波才会使粒子产生偏转。且在工作频率f=131.83MHz、输入功率P=200m W、分选流道平均流速va=4mm/s时,该芯片可以实现1μm,10μm粒子的分选,且分选效率高达91.9%,这也验证了该芯片具备良好的工作性能。

关键词：聚焦型叉指换能器行波声表面波粒子分选微流控芯片浸润性

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三维电极驱动的空间耦合粒子分选研究

三维电极驱动的空间耦合粒子分选研究

作者：王阳阳中北大学

学位级别：硕士

近年来,基于微流控平台的芯片实验室系统在操纵粒子方面引起了相当大的关注。微流控设备的显著优点是便携、低样品消耗、少量分析时间和成本。捕获、分选和分离对于粒子的应用至关重要,可实现纯度高、分离效率高、无标记等目的。粒子分... 详细信息

近年来,基于微流控平台的芯片实验室系统在操纵粒子方面引起了相当大的关注。微流控设备的显著优点是便携、低样品消耗、少量分析时间和成本。捕获、分选和分离对于粒子的应用至关重要,可实现纯度高、分离效率高、无标记等目的。粒子分离是从溶液中分离或分离复杂颗粒混合物的过程,因此深入研究粒子分选有助于解决单物理场分选的局限。平面电极的主要缺点是电场限制在电极附近,而三维电极是沿着微通道的侧壁设计,在三维电极中电场通过通道的横截面扩散。因此,DEP辐射范围增大,三维电极产生较低的焦耳热和足够分选粒子的介电泳力。首先,阐述了微尺度下的粒子流动情况以及流体力学方程,分析了介电泳原理与惯性力原理对粒子的影响,推导出非匀强电场中粒子的运动轨迹,确定粒子在复合场中的受力情况。其次,通过有限元仿真分析,基于Ag-PDMS三维电极设计了粒子分离芯片聚焦结构与分离结构,采用软件对二维简化模型进行仿真,并对流场、电场以及介电泳力进行分析,根据倒梯形结构与拱形结构的聚焦特点,采用SU-8光刻工艺制备微通道模型;选用了Ag颗粒与PDMS混合制成复合导电材料用来制备三维电极,本材料延展性良好,易加工成所需形状及厚度;采用湿法腐蚀工艺加工ITO过渡电极,同时对键合完成后的分选芯片进行可靠性分析。最后,搭建基于粒子芯片的微流控分离平台,制备不同混合粒子测试样本,通过控制变量法进行单因素粒子分离测试,包括验证临界频率的准备实验,聚苯乙烯小球单粒子的轨迹测试,不同尺寸、不同介电性质的粒子轨迹测试,得出最优分选参数,最终完成直径4um的二氧化硅小球与直径20um的聚苯乙烯小球成功分离。

关键词：粒子分选 Ag-PDMS 三维电极介电泳收缩扩张结构

基于声表面波技术的粒子分选微流控芯片设计与实验研究

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基于声表面波技术的粒子分选微流控芯片设计与实验研究

作者：张炎炎吉林大学

学位级别：硕士

作为21世纪最伟大的发现之一,微流控芯片因其微小、便携、试剂消耗量少等优点开始取代传统的常规生物化学医学实验室的各种功能,例如混合、反应、分选、检测、合成、细胞培养等,而其中的分选功能是最为核心的功能之一。高效的分选对于... 详细信息

作为21世纪最伟大的发现之一,微流控芯片因其微小、便携、试剂消耗量少等优点开始取代传统的常规生物化学医学实验室的各种功能,例如混合、反应、分选、检测、合成、细胞培养等,而其中的分选功能是最为核心的功能之一。高效的分选对于生物学、化学、诊断学、治疗学、材料合成和药物开发领域等有着重要意义。由于声表面波技术在微流控领域的广泛应用,本文将声表面波技术与水力分选技术相融合,提出了基于水力与声辐射力耦合作用下的粒子多级分选技术,设计、制作两种类型分选芯片,通过控制加载信号峰峰值电压、主流道最大流速、出口流量比率等因素进行粒子分选实验,本文的主要内容如下:概述声表面波器件的结构与原理、压电基底材料及其切向和叉指换能器(IDT),选择双面抛光的128°Y-X铌酸锂作为压电基底材料,初步确定IDT主要参数,包括指宽、指间距、叉指对数和声孔径等,对声流效应以及微粒在声场下的受力进行了分析。利用仿真软件对声表面波器件进行分析,主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态分析以及IDT的叉指对数对声表面波能量的影响分析等,得出仿真结果与理论分析相符,通过MATLAB对微粒在声场区域的运动情况进行仿真分析,得到了使粒子分离的最佳参数,在仅受斯托克斯力时对粒子的运动轨迹进行分析,得到在不同流量比率情况下粒子的运动规律,对粒子在微流道中整体的运动情况进行仿真分析,理论上验证了粒子分选的可行性,为之后的实验研究提供了理论基础。根据仿真得出的优化参数,设计两种结构的粒子分选芯片,利用微纳加工工艺制得声表面波器件及硅片底模,之后采用模塑法制作了PDMS微流道系统,再将声表面波器件与PDMS微流道系统进行键合并进行后续处理,最终得到能够用于分选实验的两种结构分选芯片。利用本文设计制作的两种结构分选芯片进行多种粒子的分选实验,设计实验方案,搭建实验平台,通过调节加载信号峰峰值电压、主流道最大流速以及流量比率,使用两种结构分选芯片对1μm、5μm和10μm荧光聚苯乙烯粒子(PS粒子)进行了分选实验,验证了本文提出的声分选技术和方法用于粒子多级分选的可行性。实验结果表明在V=25V、v=4mm/s时,两种结构的粒子分选芯片均具有较好的分选效果,同时,发现通过进一步调控依次分选结构芯片的流量比率,发现在A=0.2、A=0.5的条件下其分选效果要优于直接分选结构芯片。

关键词：声表面波粒子分选微流控芯片声分选水力分选

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基于驻声表面波的粒子分选微流控芯片研究

基于驻声表面波的粒子分选微流控芯片研究

作者：袁仁鹏重庆大学

学位级别：硕士

微粒和细胞分离是研究细胞特性、临床诊断和疾病治疗的关键过程,在生物、医学、化学化工等领域有重要应用。微流控芯片是一种新兴工具,基于微流控芯片的粒子分选技术因其样本消耗量少、处理速度快、易于集成等特点,开始成为取代传统医... 详细信息

微粒和细胞分离是研究细胞特性、临床诊断和疾病治疗的关键过程,在生物、医学、化学化工等领域有重要应用。微流控芯片是一种新兴工具,基于微流控芯片的粒子分选技术因其样本消耗量少、处理速度快、易于集成等特点,开始成为取代传统医学实验室粒子分选方法的有效手段之一。利用声表面波对液滴和微粒进行操纵的声流体技术(即声学和微流控的结合)能够解决传统医学分离技术的效率低、耗时长、成本高等问题,且具有高精度、高效率、高生物相容性、无接触等优点,受到各国学者的广泛关注。本文提出一种基于声表面波与微流控技术结合的粒子分选方法,使用驻声表面波以连续流方式实现了不同尺寸聚苯乙烯粒子的二次分选,主要内容如下:本文通过多物理场仿真软件COMSOL分析了不同叉指换能器对数和声孔径长度的声表面波器件的传输特性,使用具有浮动电极的单向叉指换能器结构提高驻声表面波的幅值,以增加亚微米尺寸粒子受到的声辐射力大小。设计了具有多出入口的微流道,用于二次分选和收集不同尺寸的粒子,并仿真了声场关闭时入口处不同流率设置下微流道中的粒子汇聚轨迹。为优化芯片设计,基于MATLAB对不同条件下驻波声场中的粒子运动轨迹进行了建模仿真,讨论了声表面波输入功率、主流道流率和驻波声场倾斜角度对粒子横向位移的影响,确定了最佳的粒子分选参数。基于微米纳米加工技术制备了由声表面波器件和PDMS微流道组成的粒子分选微流控芯片,并完成了芯片的封装和测试。在样本流流率分别为1μL/min和2μL/min的条件下,利用驻波声场分别对混合样本中两种尺寸更大的粒子产生偏转,成功实现了直径为5μm、1μm、200 nm三种尺寸的粒子分选,5μm粒子的分选得率约为92.1%,1μm粒子的分选得率约为83.3%。且分选粒子的尺寸与人类全血中的血细胞、胞外囊泡和外泌体尺寸相近,因此本文介绍的方法为从人类全血中直接分离外泌体提供了一种独特的途径,在生物学研究和疾病诊断中具有潜在的应用价值。

关键词：声表面波粒子分选微流控芯片

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基于微凹槽涡的粒子分选运动实验研究

基于微凹槽涡的粒子分选运动实验研究

基于介电泳力的无鞘流微过滤阵列粒子捕获与分选技术研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：申峰高杰李星辰艾明珠刘赵淼北京工业大学材料与制造学部力学系

粒子分选是指将目标粒子/细胞从非均质溶液中分离出来,以便进行细胞分析,在细胞生物学和癌症精准诊疗邻域有巨大应用前景。近年来,微流控技术(Microfluidics)为细胞分选操控提供了新平台,相较于其它微流控粒子分选方法,惯性聚焦与凹槽... 详细信息

粒子分选是指将目标粒子/细胞从非均质溶液中分离出来,以便进行细胞分析,在细胞生物学和癌症精准诊疗邻域有巨大应用前景。近年来,微流控技术(Microfluidics)为细胞分选操控提供了新平台,相较于其它微流控粒子分选方法,惯性聚焦与凹槽涡流技术相结合的方法,是一种无标记、并行化的被动式物理方法。基于微凹槽涡的粒子分选方法在粒子捕获能力方面取得了进步,但仍然面临如何提高凹槽粒子容量的瓶颈问题。本文提出了一种新型的基于带底部方腔和排液通道的圆形凹槽涡流粒子分选方法,并开展粒子分选运动高速显微摄影可视化实验。观测发现,带底部方腔的圆形凹槽的粒子最大容量约为普通圆形凹槽的1.93倍。通过计算发现,普通圆形凹槽、500μm和600μm直径凹槽的粒子运动轨道占比率(S=A/A,其中A和A分别代表粒子轨道运动轨道面积和凹槽面积)分别为0.51,0.97和0.36。结果表明,本文设计的带底部方腔的圆形凹槽具有更高的容纳粒子的能力,对比分析了凹槽中粒子运动轨道和涡胞流场对凹槽容纳能力的影响机理。研究结果可为粒子分选和微凹槽结构设计提供理论指导。

关键词：涡胞流动粒子分选微凹槽容纳能力微流控技术

来源： cnki会议评论

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基于介电泳力的无鞘流微过滤阵列粒子捕获与分选技术研究

作者：刘云鹏中北大学

学位级别：硕士

随着微流控技术的发展,微流控芯片的研究在生命科学、医学检测、化学反应中的重要性越来越大。其中基于介电泳技术的微流控粒子分选技术作为获取高纯度单种粒子的重要手段,有免标记、非侵入、可调性高、对细胞损害小等优势,成为近几年... 详细信息

随着微流控技术的发展,微流控芯片的研究在生命科学、医学检测、化学反应中的重要性越来越大。其中基于介电泳技术的微流控粒子分选技术作为获取高纯度单种粒子的重要手段,有免标记、非侵入、可调性高、对细胞损害小等优势,成为近几年的研究热点。传统介电泳分选芯片采用的鞘流聚焦方案,会稀释样本,增加流道设计与外部检测设备等,阻碍了便携式、一次性芯片的发展。本研究结合了介电泳分选方式与无鞘流过滤阵列聚焦方案,利用粒子的直径与介电性质实现粒子的捕获与分选,解决了单物理场对粒子分选的局限性,并制备了粒子捕获与分选芯片。本文主要研究内容如下:首先,对流体动力学与介电泳原理进行了详细介绍,根据连续方程推导出流体分叉模型;根据粒子的偶极矩公式,推导出介电泳力公式,分析了影响介电泳力大小与方向的影响因素,确定了粒子在微流体中受到的主要作用力;采用Matlab软件仿真并分析了二氧化硅粒子与聚苯乙烯小球的介电频率响应。其次,通过仿真分析,设计并优化了微过滤阵列与微电极的结构,并分析了8mm/s-28mm/s流速下微过滤阵列的形变程度与聚焦效果。根据微过滤阵列与微电极的结构特点,采用光刻工艺与深硅刻蚀工艺制备微过滤阵列模具,并采用倒膜工序制备PDMS芯片沟道;采用光刻工艺与湿法腐蚀工艺制备微电极;使用氧等粒子表面处理工艺对PDMS沟道与微电极进行处理后完成键合。最后,搭建了微流控芯片粒子分选平台,完成不同粒子的样本溶液配置,并根据Matlab仿真结果,用平面电极测试二氧化硅与聚苯乙烯小球的临界频率。对微过滤阵列的捕获及聚焦效果进行测试,得到流量大小为14.4uL/min时聚苯乙烯小球(20um)的捕获效率达到81%。将聚苯乙烯小球(直径20um)溶液分别与两种直径的二氧化硅粒子(直径分别为4um,20um)配比,在直径不同的分选实验中,聚苯乙烯小球的收集效率为99%以上,分选纯度为67.5%,二氧化硅的收集效率大于95%,分选纯度为99%以上;在直径相同的实验中,聚苯乙烯小球的收集效率为99%以上,分选纯度大于95.3%,二氧化硅的收集效率大于95%,分选纯度大于98.9%。

关键词：粒子分选粒子捕获微过滤器介电泳无鞘流

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微扰惯性流场中的粒子声分选研究

微扰惯性流场中的粒子声分选研究

作者：冀苗苗中北大学

学位级别：硕士

近年来,微流体分选技术已成为细胞检测和疾病诊断等的有效工具。国内外研究学者将声表面波技术应用于微流控研究领域,制造出了基于声表面波的微流体分选器件。但目前声分选器件在器件设计、芯片成本以及芯片通量等方面的性能仍有待提高... 详细信息

近年来,微流体分选技术已成为细胞检测和疾病诊断等的有效工具。国内外研究学者将声表面波技术应用于微流控研究领域,制造出了基于声表面波的微流体分选器件。但目前声分选器件在器件设计、芯片成本以及芯片通量等方面的性能仍有待提高。本文采用主被动技术结合的方式,通过改进微通道结构、叉指换能器结构以及微通道与基底结合工艺,可实现高纯度、低成本、高通量的分选芯片设计。该研究对设计能够满足不同应用场景需求的分选芯片具有深远的意义,本论文具体的工作内容如下:(1)高纯度声分选芯片设计。被动技术采用惯性微流控技术,在单螺旋通道中引入微柱阵列实现5μm和10μm粒子聚集以及20μm粒子聚焦。主动技术采用声表面波技术,在24.95–41.58 MHz频率范围内实现20μm粒子的分选。通过测量不同频率下20μm粒子完成偏转所需横向迁移距离得到最佳分选频率为33.7 MHz,在该频率下,将工作流速设置为20μL/min时芯片分选纯度和效率分别为92%和100%。(2)可拆卸声分选芯片设计。首先,对直通道中的微柱阵列结构进行优化来提升芯片的分选纯度。其次,通过在微通道底部增加薄膜封层实现可拆卸微通道的设计,使得叉指换能器可回收,降低了芯片成本,测得可拆卸微通道的可重用次数为80次。最后,研究了叉指换能器不同倾角下对20μm粒子的分选效果。在工作流速为20μL/min,倾角大于25°时能够实现将20μm粒子从混合液中分选出来,芯片分选纯度和效率分别达到97%和100%。(3)高通量粒子声分选芯片设计。通过采用单螺旋微通道实现20μm粒子的聚焦,使它们远离声操控角效应区来保证芯片的分选效率。采用Y型入口微通道实现5μm粒子的聚集来保证芯片的分选纯度。提出将单螺旋通道与新型弧形叉指换能器结合来增大声操控区域面积的方法,在此基础上提高了芯片通量。在不同工作流速下,与之前设计的叉指换能器的芯片分选效率进行了对比,验证了单螺旋通道与弧形叉指换能器耦合提高芯片通量设计的正确性。

关键词：惯性微流控声表面波叉指换能器粒子分选微流控芯片

基于光力学马车轮效应的介质纳米粒子的双向分选

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基于光力学马车轮效应的介质纳米粒子的双向分选

作者：杨艺暨南大学

学位级别：硕士

对于不同的应用领域如生物医学、表面科学,对纳米粒子的尺寸要求不同,因此粒子分选具有很高的研究价值。在现有的分选方法中,对一般的介电纳米粒子进行分选的方法仍然比较匮乏。因此本文针对低折射率介质颗粒的分选提出了一种非常简易... 详细信息

对于不同的应用领域如生物医学、表面科学,对纳米粒子的尺寸要求不同,因此粒子分选具有很高的研究价值。在现有的分选方法中,对一般的介电纳米粒子进行分选的方法仍然比较匮乏。因此本文针对低折射率介质颗粒的分选提出了一种非常简易且实用的方法,我们的灵感来源于,我们对移动目标的视觉感知并不总是正确的。例如,正在快速正向转动的车轮可能看起来像在反向转动。这种现象被称为马车轮效应(Wagon-Wheel Effects,WWE),它是由视觉信息的采样不足引起的。我们通过理论推测在光学微操纵的场景中WWE概念的类似表现,即光力学马车轮效应(Optomechanical Wagon-Wheel Effects,OWWE),并将这种概念引入到扫描光镊中。我们通过实验以及数值计算发现,当以不同速率扫描光阱,粒子对其的动态响应可以完全相反,从而验证了OWWE。此外,我们通过数值计算得到了OWWE随尺寸变化的规律,发现这种行为可受颗粒尺寸的调节,可用于粒度选择。我们的研究结果揭示了一种独特的分选方式,并将介质粒子的双向光学分选范围扩展到200 nm以下,实验上的分离精度可达50 nm,理论上的分离精度可达20 nm。

关键词：纳米粒子粒子分选扫描光镊光梯度力