T型光流控芯片中粒子行为的无量纲分析

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Nondimensional Analysis of Particle Behavior in a T-Type Optofluidic Chip

微流控芯片TOPC通过光流体学原理实现大气颗粒物（PM）的预分选，提升监测精度。研究推导了粒子偏移距离公式，引入无量纲参数S表征芯片内粒子运动，数值模拟与实验结果（误差4.2μm和1.4μm）高度吻合，验证了模型有效性，为优化设计提供理论支撑。

　　

摘要：

随着空气污染的加剧，空气中的污染物种类显著增加。要准确监测大气中的颗粒物（PM），需要使用精度更高的传感器。如果能够利用微流控芯片对气流中的悬浮颗粒进行预分类，那么大多数现有的微流控颗粒物检测系统的性能都可以得到显著提升。在这项研究中，基于光学原理，理论设计了一种用于颗粒物分类和收集的T型光流控芯片（TOPC），并推导出了TOPC内颗粒物偏移距离的解析公式。在此基础上，通过结合微流控芯片的特性参数，引入了一个无量纲参数S来描述颗粒物在TOPC内的运动情况。通过数值模拟计算了不同条件下的颗粒物轨迹，并将其与理论预测结果进行比较以验证模型。同时，还构建了一个实验平台。实验结果表明，与理论计算和数值模拟结果相比，颗粒物的偏移误差分别为4.2μ米和1.4μ米。此外，实验得到的颗粒物分类效率与模拟结果高度吻合，这证实了无量纲参数S能够有效描述颗粒物在TOPC内的行为。本工作的创新之处在于首次引入了无量纲参数S，并通过实验和数值方法对其进行了验证，为优化TOPC设计并提高颗粒物分类精度提供了可靠的框架。