本文是一篇生物医学工程论文，本研究在查阅了国内外离心微流控相关的文献后，针对目前离心微流控存在的操作复杂、人工成本高等问题搭建了一套自动化的离心微流控平台，并借助该平台开展了全血分离研究。
1绪论
1.1引言
随着经济的发展和社会的进步，人们对于提升医疗服务水平有着越来越高的要求，但伴随着城市化进程的不断加快，医疗资源的分配不均匀导致许多偏远地区和不发达地区的人们无法享受到先进的医疗设施和服务，例如在印度和非洲的部分地区以及国内一些偏远的山区，病人往往需要长途跋涉去就医看病，但医疗设施的不完善让许多样本的检测无法在当地及时完成，需要送到大城市可以检测的医院或实验室去完成检测分析，病人需要等待一段时间才可以拿到结果，对于病人来说，不仅无法及时得到治疗，还可能在往返奔波中加重病情。对于这些地区，尤其是在有疫情爆发需要及时诊疗的情况下，开发高速、低成本的便携式医疗诊断设备变得十分迫切。微流控技术作为一种在微纳米尺度上对流体进行精确操控的技术，能够在一次性的芯片中利用微量液体，实现样品和试剂的自动处理、快速反应，非常适合人体生物样本的检测分析。相对于传统分析技术，微流控技术的优势十分明显，其操作简单，不需要操作人员有很高的专业技能，能同时处理多个样品，并且所需要的试剂量小，成本低，分析速度快[1]。
在众多的微流控系统中，基于离心力的微流控系统正以其独特的优势受到越来越多研究者的关注。离心微流控隶属于微流控的一个分支，特指通过离心力来驱动液体流动的微量流体控制方式。它可以将生物和化学领域所涉及的许多操作集成在一个小型圆盘式的芯片上，所以也被称为“盘上实验室”（Lab on a Disc,LOAD）。除了微流控系统具有的优势，基于离心力的微流控系统还具有许多其他优点，例如芯片封闭、多路复用、对气泡和液体残留不敏感和模块分离等[2]。由于圆盘上处处存在固有的离心力，且方向始终呈放射状向外，所以其作用就像一个“重力场”。对于流体输送，只需要一个简单紧凑的电机来产生所需的力，流体操纵不需要外部注射泵，可使芯片处于封闭的环境，减少了外界环境的干扰。离心微流控装置中的流体输送效率很高，借助离心力，很容易去除试剂中可能影响分析结果的气泡和粘附在通道腔体表面的残余液体。离心微流控装置的圆盘形式使其能够在一个芯片上进行有效的多路复用，这也使得多样本同时检测成为可能。因此，对离心微流控技术进行深入研究，将其应用到不同的生化免疫分析中，对于未来医疗行业的发展有着重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1离心微流控阀门研究现状
整个离心微流控平台中阀门是至关重要的一部分，它能控制实验的进度以及精度。阀门主要分为被动阀与主动阀两大类。被动阀相对于主动阀来说结构相对简单，它通常是通过改变旋转速度控制阀门的打开以及关闭。其优点是不需要额外的附件，只需要精心设计通道几何形状或进行表面修饰，但是它也具有不能气密、液体控制单一等缺点。为了克服上述缺点，有研究者提出了主动阀，主动阀能够实现良好的气密性，而且通常能够提供更高水平的集成密度，但相应的也付出了增加成本和设备复杂性的代价。如图1.2展示了各种基础阀门，从左到右依次是毛细管阀、疏水阀、虹吸阀和牺牲阀。
毛细管阀是阀门中结构最简单的一种，其应用非常广泛[7,8]。它主要利用的是毛细管对液体产生的毛细管压力来控制液体是否通过，如图1.2A所示。疏水阀的原理近似于毛细管阀，只不过疏水阀利用通道中疏水区域的疏水性对液体产生阻力来阻止液体流动[9,10]，如图1.2B所示。虹吸阀是一种结构设计比较巧妙的阀门，虹吸阀结构包括一个储存室以及连接到储存室的虹吸通道，如图1.2C所示，其阀门功能的实现主要是由离心力在低转速下起主导作用。虹吸阀中的虹吸通道采用的是亲水性材料，其通道的方向是指向圆心的。
2实验原理
2.2离心微流控操作原理
2.2.1体积测量
体积测量是离心微流控平台的一种基本功能，其应用十分广泛，基本上在各种实验中都能用到此功能。体积测量是为了精确计量反应液体的量，实现高质量的液体精确反应，也保证了整个平台的可重复性。离心微流控平台体积测量功能是依靠废液室来实现的，体积计量室通常会直接连接到废液室，当计量室流入设定体积的液体容量后，其他多余的液体将通过流路通道直接流入废液室，从而达到液体体积精确测量的目的。
2.2.2液体混合
液体混合是开展实验必不可少的一个步骤，液体混合的均匀性更是实验反应的关键，会影响下游实验是否能顺利进行。但由于离心微流控中流路微小，液体混合成为一个比较棘手的问题。在层流的低雷诺数情况下，微流控平台中很难实现混合。这意味着没有对流混合和射流混合，仅限于扩散混合，这使得混合成为一个非常缓慢的过程，会影响整个实验的进度。Zoval J V等人以及Puckett L G等人设计了一个蛇形微通道加强混合效果用于酶分析、细菌分析和蛋白质配体结合分析[7,57]。不过他们使用的蛇形设计只是延长流动路径，以增加扩散时间，确保充分混合。
2.3全血样本离心沉降仿真
参考国内外研究和临床常用血浆提取的实验条件，发现离心转速过低会导致离心时间增加且在低转速下血浆分离效率较低，而转速过高或离心时间过长则都会导致红细胞破裂从而污染血浆，所以本文在进行对比后选用了转速3000rpm，离心5min作为血浆提取实验的实验条件。为了验证该实验条件的可行性，在进行血浆提取实验前，使用COMSOL软件进行了全血样本的离心沉降仿真，选择“层流”和“相传递”下的混合物沉降物理场模型进行仿真。
2.3.1仿真物理场建立
血液相当于红细胞和血浆组成的悬浮液，本物理场模型使用悬浮液模拟全血样本的沉降。悬浮液由连续相（血液）和分散相（红细胞）的混合物组成，其动力学可以通过混合物的动量传递方程、连续性方程和固相体积分数的输运方程来建模。
2.3.2仿真参数设置
在完成仿真物理场的设定后，进行仿真中各参数的设置。首先对离心沉降区域创建自由三角形网格，离心沉降区域建模如图2.5所示。将离心沉降区域的初始体积分数分别设置为0.44、0.22和0.11，分别对应模拟44%、22%和11%红细胞压积下的血液样本离心沉降。以3000rpm的转速下血液受到的离心力设置力场大小，连续相的密度设置为1053kg/m3，分散相的密度设置为1180kg/m3，分散相的最大填充浓度设置为0.9，流体黏度设置为0.5889pa·s，采用一致初始化向后欧拉差分迭代求解以控制收敛性，设置向后欧拉差分迭代初始步长分数为0.01，事件容差为0.01。
3离心微流控平台的搭建......................19
3.1离心微流控平台的总体方案设计................................19
3.2硬件驱动装置.................................19
4磁吸阀结构设计和测试.......................35
4.1引言......................................35
4.2磁吸阀设计及加工制作..................................35
5离心微流控芯片在全血分离中的应用................41
5.1离心微流控芯片应用于血浆提取........................41
5.1.1血浆提取芯片设计及制作.................................41
5.1.2血浆提取实验结果....................................42
5离心微流控芯片在全血分离中的应用
5.1离心微流控芯片应用于血浆提取
与血细胞有关的参数是一系列临床病症的重要检测指标。目前血液学分析仪可以进行自动化地细胞计数，但是其表型分析的能力有限，异常细胞标记后通常需要手工血膜检查，这需要很高的技术能力和较长的时间。流式细胞术在血细胞鉴别方面可以提供关于淋巴细胞亚群和母细胞亚群准确、详细、自动的鉴别信息且检测速度较快，但是流式细胞术仍依赖于手工样品制备，而手动的样品制备不仅需要经验丰富的人工操作，且不可避免会出现样本误差[68]。在血细胞检测前进行血液各组分样本的制备是目前的研究重点，于是针对当下对于全血分离的自动化需求，本文借助离心微流控技术能微量定样、多样本同时检测等优点，设计了用于血浆提取和白细胞提取的离心微流控芯片，可以部分替代手工样品制备，能从全血中直接提取出血浆和白细胞。同时将磁吸阀应用于白细胞提取芯片，通过对磁吸阀的控制实现了白细胞提取实验中不同样本的自动顺序加载。
本文中血浆提取实验所使用的全血样本是由健康志愿者提供的储存在EDTAK2抗凝管内的人外周肘静脉血液。整个实验使用的仪器和材料如表5.1所示。
6总结与展望
6.1全文总结
离心微流控技术是众多微流控技术中得到广泛关注和应用的一项技术，离心微流控技术的不断发展使之成为微流控领域的研究热点，在化学、制药和生物领域等各行业都得到了广泛应用。本研究在查阅了国内外离心微流控相关的文献后，针对目前离心微流控存在的操作复杂、人工成本高等问题搭建了一套自动化的离心微流控平台，并借助该平台开展了全血分离研究。离心微流控平台主要包括硬件驱动装置、软件上位机和离心微流控芯片三部分，其中硬件驱动装置可以实现对直流无刷电机的启停、正反转、转速大小、转速方向、转速加减速度等灵活控制，从而控制芯片中液体的转移。所设计的上位机软件可以进行不同生化检测步骤的设置，实现不同生化检测步骤的自动顺序化进行，降低了操作复杂度，减少了人工成本。除了软硬件单元外，本研究在制作加工离心微流控芯片的过程中，选择了三层经典结构进行离心微流控芯片的设计，在对键合工艺进行对
