微流控芯片技术在血细胞变形和流动性分析研究中的应用进展

近年来，随着微流控芯片技术的快速发展，微流控芯片在生物医学研究领域得到了广泛关注。由于其具有高通量、高灵敏度、集成化、低消耗及可控化等诸多特点，为在多细胞水平研究细胞迁移和分选动力学提供了新的技术平台。利用微流控芯片微通道结构设计灵活的特点，可在实验条件下模拟正常的生理和病理条件下的复杂血管；其微米尺寸的微通道也适于单细胞引入、操纵及检测。因此，用微流控芯片技术在单细胞层面对细胞生物力学性能表征也引起了广泛关注。以健康和疾病中的血细胞为例，从单细胞变形、流动、黏附、机械疲劳等力学性能表征到多细胞迁移及分离动力学等方面归纳目前微流控芯片技术在细胞力学分析和表征方面的研究进展。     

毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术，毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法，展示了完整的测试平台，介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时，给出了同轴界面的拍摄方法，可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中，探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下，研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响，并基于光的折射定律，对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中，考察了射流长度随振幅的变化，建立了尺度率关系，探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律，为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。     

"微纳流动与复杂流体"专刊简介

正二十一世纪初"微流控芯片""基因工程"等高新技术的兴起促进了微纳流体力学的发展。经典流体力学早期就开展了"低雷诺数""多孔介质"等低速、小空间尺度流动的研究,但微纳流动研究的空间或粒子的尺度更小,在一纳米至百微米范围,流动介质涉及细胞液、乳浊液等复杂流体。因此,微纳流动和复杂流体的研究具有了介观尺度的特性和更强的应用背景,需要流体力学、统计物理、化学、材料科学、生物学等多种学科的有机融合。《实验流体力学》适时推出"微纳流动与复杂流体"专刊,初衷是"为促进交流,希望向非力学专业(如化学、生物等)相关领域的学者们介绍微纳流动研究的前沿进展"。     

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境，利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴，并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速（Micro-PIV）实验，研究了雷诺数（Re）对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明，当Re=11.1时，液滴内部出现了一个涡胞结构；当Re=33.3时，液滴中心处的流速达到最大值，约为10 μm/s。然而，当Re=44.4时，涡胞消失，平均流速降低。同时，液滴尺寸随Re增加而减小。此外，Re对液滴内部剪应力变化无明显影响，剪应力平均值极低（< 1.5×10-4Pa）。     

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具，原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究，推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针，原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量，研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法，以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用，分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响，并对该领域的发展进行了展望。     

流动聚焦中液体锥形形态和流动结构实验研究

流动聚焦(flow focusing)是一种制备单分散性微纳米尺度液滴、颗粒和胶囊的毛细流动技术，小孔上游稳定的液体锥形的形成是产生射流并高效制备微液滴的前提条件。采用量纲分析方法得到了被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对锥形稳定性的影响，利用吸气式流动聚焦装置观测了锥形界面形态及稳定性，验证了理论分析结果，通过调控主要过程参数获得了锥形稳定的参数区间。在被聚焦液体内部添加示踪粒子，采用高速摄影技术拍摄了流场图像并进行定量分析，探究了锥形内部的回流区结构及其变化规律，发现回流区的产生与锥形界面两侧的切向速度分布密切相关，被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对回流区的大小均具有显著影响。     

现代微分离新技术及在环境与生物医药分析中的应用

分离科学面临的最大挑战是复杂体系中痕量组分的分离分析。为适应复杂体系分析。现代微分离技术成为化学化工和生命科学的研究热点。本文介绍了近五年来现代微分离分析中新技术,包括毛细管电泳、毛细管电色谱、微流控芯片和质谱联用技术;重点综述了这些新技术在环境与生物医药分析中的应用;最后概述了微分离分析技术的发展前景。     

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm~1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

用于微流体结晶的芯片及其应用进展

近年来,微流控芯片实验室的研究得到迅猛发展,微流控芯片的出现更是将微纳流控体系推向了一个新高度。相比传统实验方法,微流体结晶技术在样品消耗量、分析速度、操作成本以及集成度等方面表现出的显著优势,使其在化学合成、微-纳米材料制备、细胞分析、药物筛选等诸多领域都获得了广泛的应用。微流体结晶作为微流控芯片实验室研究的一个重要部分,为结晶过程的研究提供了新的平台。对用于微流体结晶的芯片特点和类型进行了概述,同时总结了微流控芯片在结晶研究中的应用进展,最后对微流体结晶的发展前景进行了展望。     

层析粒子图像测速技术研究进展

层析粒子图像测速技术（Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV）作为一种瞬时的三维流场速度测量技术,能够为具有强非定常性及强三维空间性的复杂流动提供详细的数据支撑。对近年来该技术在国内外的发展及应用进行了全面的综述。首先介绍了层析粒子图像测速技术的工作原理和技术特点,进而探讨了当前层析粒子图像测速的研究现状,重点从相机布局、示踪粒子密度、标定映射函数及三维重构算法对重构精度的影响等方面进行了阐述,而后通过国内外关于层析粒子图像测速技术的典型应用,展示了该技术在非定常三维流动及工程应用中的优势。最后,对层析粒子图像测速技术的应用前景及发展趋势进行了展望。     

合成射流后台阶分离流动控制的实验研究

具有边界层分离和再附的后台阶流动是工程中常见的一种复杂现象,研究后台阶绕流具有重要的理论意义和应用价值。后台阶流动包含了多种复杂的流动现象,如流动的转捩、分离、再附和非定常等流体力学基本问题。应用表面测压和粒子图像测速(PIV)对合成射流后台阶湍流分离流动控制进行了研究,通过分析后台阶壁面压力系数分布、瞬态旋涡流场结构以及时均流动结构,揭示了合成射流对后台阶再附点长度和回流区的分离流动控制机理。结果表明:在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围,回流区涡结构被施加的合成射流扰动“锁定”。在实验状态下,合成射流的动量系数越大,控制效果越好。从时均效果看,当合成射流的动量系数为0.771%时,可使再附点长度减小50%。     

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

高超声速球头激波脱体距离研究综述

从理论研究和实验研究2个方面介绍了国内外高超声速球头激波脱体距离研究的概况。理论研究方面,理论和工程算法能够用于激波形状和脱体距离的快速计算,数值计算则主要关注了高温非平衡流动下气体模型对数值计算结果的影响。由于计算方法都是针对特定理论或特定实验条件下推导并归纳总结得到的,在公式的适用范围方面存在较大的局限性。在实验研究方面,利用高焓设备进行非平衡流下的实验是目前的重点之一。由于实验、测量设备和实验条件各自的特点,实验数据的推广应用仍然是值得研究的,另外针对非空气环境(如 CO2)的球头激波脱体研究数据相对匮乏。通过调研,认为可对下列问题做进一步研究:以高超声速球头激波脱体距离为对象考虑真实气体效应时理论和工程计算的改进方法,不同化学反应和气体模型对数值计算结果准确性的综合影响,提高弹道靶发射能力以及发展高精度流场显示技术等。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

不同条件下圆柱状容器水压爆破压力测试及其分析

利用声学近似原理,采用镜像法分析容器直径、注水深度、装药位置、容器顶底面以及侧壁约束等对水压爆破冲击波产生的最大超压及冲量的影响,通过采用压力传感器测量水压爆破底部固壁不同部位的压力波形和高速摄影测量物体的运动速度,对理论分析进行了验证。可以为类似水压爆破装药参数的确定提供依据。     

湍流转捩工程预报方法研究进展综述

湍流转捩现象对边界层流动的阻力和热交换特性具有严重影响。准确地预测转捩对工程设计意义重大。近年来发展迅速的转捩模型是一种非常适合工程计算的转捩预报方法。本文将转捩模型分成了4个类型,并对每种转捩模型的发展过程加以阐述。在分析和讨论的基础上,总结了目前转捩模型的发展水平,同时也指出尚存的不足之处,为将来构建新的转捩模型以及相关的转捩研究提供建议。     

粉末气溶胶抑制热喷流红外辐射数值模拟

利用Mie理论计算获得有关气溶胶颗粒的散射特性参数,采用Fluent软件数值模拟研究粉末气溶胶环热喷流喷射对其红外辐射传输的影响特性.探讨了颗粒粒径、气溶胶喷射量、喷射速度、喷射角度对红外辐射抑制特性(3～5 μm)的影响规律.计算范围内显示:气溶胶颗粒粒径对红外辐射抑制的影响显著;热喷流外保持具有一定浓度、厚度的气溶胶层是提高红外抑制效果的有效途径.     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

滑动放电等离子体控制细长体头部背风区非对称涡实验研究

飞行器在大迎角飞行状态下,细长体头部背风区流场演变复杂,会出现非对称旋涡,产生随机侧向力,对飞行器的机动性和敏捷性影响很大。针对细长体大迎角非对称涡控制问题,采用顺流向布局的滑动放电等离子体激励器,结合测压和粒子图像测速（PIV）等手段,对细长体模型开展了风洞实验研究。研究结果表明:激励电压10 kV是流动控制开始生效的阈值电压;当来流速度10 m/s（雷诺数0.8×105）、迎角45°时（激励电压16 kV,归一化脉冲频率1.96）,获得最佳流动控制效果,侧向力系数最高可降低83.48%;随着来流速度继续增大,流动控制效果逐渐减弱,预测在来流速度26 m/s时将完全失效。