光热微流涡旋的调制机理及其在细胞分选中的应用

The use of hydrodynamic forces to sort cells is the current research hotspot. Microfluidic vortex with large action range is beneficial to process and analyze a large number of samples in a short time, which has good prospects in cell sorting, particle concentration, and so on. The project innovatively combines optical waveguides and microfluidic chip to study the applications of photothermal microfluidic vortex in cell sorting. The research contents are as follows: (1) Multi-physical field coupling thesis will be applied to optimally design the photothermal waveguide, study the heat transfer and flow phenomena within microchannel for photothermal waveguide, establish the separation model of the vortex, and explore separation mechanism of the particles trapped in the microvortex. (2) The separation rate, trapping threshold, and other parameters of vortex in each chamber will be analyzed to optimize the chip. (3) The photothermal waveguide will be integrated into the microfluidic channel to realize a cell sorting chip of photothermal vortex array. Research target is to find out the modulation mechanism of photothermal microfluidic vortex under restricted boundary conditions, develop the cell sorting chip of photothermal microfluidic vortex array, and realize the array manipulation and selective capture of particles/cells. The method has the advantages of high purification rate, large throughput, high separation efficiency, stable performance, strong flexibility, and easy integration, which will be applied to the fields of bacterial detection, diagnosis application, and downstream analysis. Therefore, the separation method is expected to lead to an innovation in the field of single cell analysis.

采用流体动力分选细胞是当前研究热点。微流涡旋作用范围大，有利于短时间内实现大量样品的处理和分析，在细胞分选、微粒富集等方面具有良好的应用前景。本项目创新地将光波导和微流控芯片结合起来，研究光热微流涡旋在细胞分选中的应用。研究内容如下：（1）利用多物理场耦合理论，优化设计光热波导，研究通道内光热波导的流体传热、流动现象，建立涡旋分选单元的模型，探究微粒在涡旋内的分选机理。（2）分析各涡室内涡旋的细胞分选率、捕获阈值等参数，对芯片进行优化。（3）将光热波导集成在微流芯片中，实现阵列式光热涡旋分选芯片。研究目标是弄清光热微流涡旋在受限边界条件下的调制机理，发展一种基于光热微流涡旋阵列的分选芯片，实现芯片的阵列化操控和选择性捕获颗粒/细胞。本方法具有纯化率高、吞吐量大、分离效率高、性能稳定、灵活性强、易于集成的优点，可应用于细菌检测、疾病诊断、下游分析等领域，并可望引发单细胞分析领域的一次革新。

微流体技术在细胞分选等领域应用十分广泛，当前基于光热微流涡旋的光流控技术是低成本、高效率的新型微流体技术的研究方向之一。本项目基于光热涡旋，利用不同涡旋之间的耦合改变流体流动模式，解决目前分选设备需要外部流、分选效率低的问题。主要研究成果如下：（1）构建新的微流体芯片模型实现无泵分选，分析不同结构模型的分选效率和难易程度；（2）使用COMSOL软件分析所构建的新结构对微流体的影响，从流体力学角度提供理论支持；（3）搭建合理的微流体芯片，研究芯片参数对分选效率的影响，并扩展芯片成为多功能器件。通过本项目的研究，获得了高集成度、高灵敏度、低成本的无泵分选微流体芯片。本项目的开展，不仅从理论上分析了光流控芯片对于细胞分选的可行性，而且构建了多种新型微流控芯片并通过实验操作完成了无泵分选，最后将微流体芯片与微混合器、微反应器等相结合，增加新的功能，为细胞分选以及整个微流体技术提供了新的思路，为化学合成、病理诊断等奠定基础，具有重要的应用价值和研究意义。