[發明專利]一種基于動態熒光粉濃度確定均勻扁平微通道平均流速和剪切力的方法

有效

• 申請號: 201610139388.2
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN105628666B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 覃開蓉;高爭鳴;陳宗正;王艷霞;于苗;曾德培
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉,趙連明

技術領域

本發明屬于細胞生物力學實驗裝置技術領域，涉及一種利用動態熒光粉濃度確定均勻扁平微通道平均流速和剪切力的方法，是基于流體力學、熒光成像以及圖像分析技術檢測和計算用于細胞生物力學實驗的微流控芯片中均勻扁平微通道內流體平均速度和剪切力的方法。

背景技術

體液流動對在體細胞產生的剪切力調控細胞的正常生理功能。關于流體剪切力與細胞結構和功能之間相互關系的研究是目前細胞生物力學領域研究的熱點問題之一。精確地離體模擬細胞的剪切力環境是定量研究剪切力與細胞功能之間相互關系的前提。近年來涌現的微流控(microfluidics)技術是離體模擬細胞剪切力環境的重要手段之一，而如何檢測微通道中的流速和剪切力是確保定量研究微通道中培養細胞力學行為的關鍵。

目前，該領域有一些常見的確定微流控通道流速和剪切力的實驗方法。例如，利用熱膜傳感器直接檢測微流控通道壁面附近的流速分布，通過速度梯度計算壁面剪切力，此類方法需要將高精度的傳感器植入微流控芯片內，提高了微流控芯片本身的制作成本和復雜性；通過記錄微珠等粒子在流體內隨時間變化的相對位移，基于此推導出流體的速度和剪切力，此類方法不僅需要往流體中添加價格昂貴的微珠，而且需要空間分辨率很高的微珠運動圖像捕獲設備。

由于通常用于離體細胞培養的微通道是高度遠小于橫向和縱向幾何尺寸的扁平微通道。根據這一特殊的幾何約束特征，以及通道內流動的特征，本發明提出一種利用動態熒光粉濃度確定均勻扁平微流控通道平均流速和剪切力的方法。

發明內容

本發明是一種利用動態熒光粉濃度確定均勻扁平微流控通道內流體平均流速和剪切力的方法。該方法將熒光成像技術和流體力學原理結合起來，通過對熒光粉溶液在均勻扁平微通道中的對流-擴散方程進行逆向求解，利用熒光成像技術檢測熒光粉溶液的濃度大小進一步計算出微通道內流體的平均速度和底部剪切力。

本發明的技術方案：

一種基于動態熒光粉濃度確定均勻扁平微通道平均流速和剪切力的方法，步驟如下：

待檢測的均勻扁平微通道的高度H遠小于寬度W和長度L，該方法采用的裝置包括動態的熒光粉溶液產生裝置、均勻扁平的微流控芯片、熒光顯微鏡和廢液回收容器；其中動態的熒光粉溶液產生裝置包括可編程控制的泵、可編程控制的注射器和三通接口，可編程控制的泵和可編程控制的注射器通過三通接口導入至均勻扁平的微流控芯片，均勻扁平的微流控芯片上的廢液直接通入廢液回收容器；熒光顯微鏡進行實時記錄并得到一系列的熒光圖像。

從均勻扁平微流控芯片入口處加載濃度隨時間變化的熒光粉溶液，保證寬度x方向的熒光粉濃度相同；動態熒光粉溶液在均勻扁平微通道中傳輸受到流動的影響，并滿足對流-擴散方程

其中，t為時間，x,y,z分別是寬度、高度、長度方向的坐標，φ＝φ(y,z,t)是熒光粉溶液濃度，u_z＝u_z(y,t)是流體速度，D是熒光粉擴散系數；由于均勻扁平微通道幾何尺寸很小，且均勻扁平微通道中的流體運動為小雷諾數流動，Womersley數很小，滿足準定常假設條件，因此微通道中的流速和底部剪切力分別滿足

其中，為高度方向的平均流速，η表示粘度系數；

由于均勻扁平微通道高度很小，熒光粉溶液在高度方向上形成均勻濃度。因此，高度方向上的平均濃度定義為

滿足Taylor-Aris彌散方程

D_eff稱為有效擴散系數，滿足

以空間步長Δz將長度沿z方向均勻離散，網格點為z_i，其中i＝1,2,..i,...I+1，同時用時間步長Δt將時間t均勻離散，時間網格點為t_k，其中k＝1,2,...k,...K+1，I表示空間方向離散段數，K表示時間網格離散格數，則方程(5)用有限差分近似為

其中，分別表示t_k時刻z_i-1、z_i、z_i+1位置處的熒光粉溶液濃度，表示t_k-1時刻z_i位置處的熒光粉溶液濃度；通過熒光顯微鏡測得各個時刻均勻扁平微通道中的熒光粉溶液濃度分布，得到時間間隔為Δt的一系列熒光圖像。把熒光圖像的每個像素點看作熒光粉溶液濃度的采樣點，使相鄰像素間的距離為上述的Δz。