[發(fā)明專利]一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710563465.1
• 申請(qǐng)日: 2017-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN107346360B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹炳陽(yáng);楊敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 王戈

本發(fā)明公開一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)。該方法包括：獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細(xì)流動(dòng)時(shí)的牛頓動(dòng)力學(xué)公式；根據(jù)牛頓動(dòng)力學(xué)公式，獲取流體流動(dòng)長(zhǎng)度與時(shí)間的理論關(guān)系式；建立流體流動(dòng)長(zhǎng)度與時(shí)間的實(shí)際關(guān)系模型，其中包括與通道深度有關(guān)的未知參數(shù)；利用已知流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的的擬合斜率和已知流體的理論斜率，確定未知參數(shù)的值，從而確定關(guān)系模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，確定流體參數(shù)的值，以便根據(jù)流體參數(shù)對(duì)納流控系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。采用本發(fā)明的方法或系統(tǒng)，解決了采用理論關(guān)系式計(jì)算帶來(lái)的誤差；根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，準(zhǔn)確地確定流體參數(shù)對(duì)應(yīng)的流體種類，實(shí)現(xiàn)對(duì)納流控系統(tǒng)流動(dòng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納流控領(lǐng)域，特別是涉及一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)可以將一些生物、化學(xué)領(lǐng)域所涉及的基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的小型芯片上，形成所謂的芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)，有時(shí)也稱為微型全分析系統(tǒng)(Micro TotalAnalysis Systems，μTAS)。由于芯片實(shí)驗(yàn)室可將多種生化分析單元靈活集成到整體可控的微小平臺(tái)上，便于攜帶，可大幅縮短樣品處理時(shí)間并降低樣品消耗及成本，且可以顯著提高分析過(guò)程的分辨率和靈敏度，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注和研究。

一些典型的以芯片為平臺(tái)的微全分析系統(tǒng)中，分布著各種儲(chǔ)液池以及連接他們構(gòu)成體系的微/納米量級(jí)的通道網(wǎng)絡(luò)，在這些微/納米量級(jí)的通道網(wǎng)絡(luò)中可能還分布著大量的電極。微/納米量級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)的主要作用是輸運(yùn)各種溶液，因此實(shí)現(xiàn)芯片實(shí)驗(yàn)室生化分析功能的一個(gè)核心技術(shù)保障是實(shí)現(xiàn)對(duì)微/納米量級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)中流體流動(dòng)過(guò)程的精確控制，也就是要設(shè)計(jì)出合理、可靠的微/納流控系統(tǒng)。由于芯片實(shí)驗(yàn)室空間很小，因此在設(shè)計(jì)微/納流控系統(tǒng)時(shí)一個(gè)重要原則是要盡可能避免引入外部的能量(比如壓差)提供系統(tǒng)以及相關(guān)控制、檢測(cè)系統(tǒng)。

對(duì)于微流控系統(tǒng)，大量學(xué)者嘗試著利用表面張力對(duì)該系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，并且取得了不錯(cuò)的結(jié)果。但是關(guān)于納流控系統(tǒng)中流體的控制問題，目前還處于基礎(chǔ)研究階段。學(xué)者們利用加工得到的納米通道對(duì)利用表面張力驅(qū)動(dòng)流體的毛細(xì)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有的理論模型確定流體參數(shù)，然后利用該流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到流體的流動(dòng)速度與理論預(yù)測(cè)值有偏差，而且并不能確定到底是什么原因?qū)е铝藢?shí)驗(yàn)值與理論值之間的偏差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確確定流體的參數(shù)，以解決傳統(tǒng)納流控系統(tǒng)中由于流體參數(shù)確定有誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤差的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法，所述方法包括：

獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細(xì)流動(dòng)時(shí)的牛頓動(dòng)力學(xué)公式：其中l(wèi)(t)表示t時(shí)刻流體的流動(dòng)距離，l′(t)表示l(t)的一階導(dǎo)數(shù)，l″(t)表示l(t)的二階導(dǎo)數(shù)，ρ表示流體密度，σ表示流體表面張力，θ_e表示流體與通道壁間的平衡接觸角，η表示流體動(dòng)力黏度，h表示通道高度，w表示通道寬度，g表示重力加速度；

根據(jù)所述牛頓動(dòng)力學(xué)公式，獲取流體流動(dòng)長(zhǎng)度與時(shí)間的理論關(guān)系式：其中A_LW為理論斜率，

建立流體流動(dòng)長(zhǎng)度與時(shí)間的實(shí)際關(guān)系模型：其中a和b為與通道深度有關(guān)的未知參數(shù)，A_exp為實(shí)際的擬合斜率，則

利用已知流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，確定關(guān)于流體參數(shù)的關(guān)系模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，確定所述流體參數(shù)的值，以便根據(jù)所述流體參數(shù)對(duì)所述納流控系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。

可選的，所述利用已知流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，具體包括：