基于微流控技术的等腰三角棱镜增强型气溶胶微分离器设计与性能研究

本研究针对传统虚拟撞击器（virtual impactor）因流场分布导致的"S"型分离曲线问题，创新性地在微流控芯片喷嘴上游引入等腰三角棱镜（isosceles tri-prism），将流速分布从抛物线型转变为M型。实验表明，该设计在1.07 μm和0.79 μm截断粒径下，使亚临界粒子占比（Csp）分别降低6.14%和6.698%，亚临界粒子量（Rsp）减少31.37%和39.32%，显著提升气溶胶分离效率，为集成检测系统提供新方案。

　　

在气溶胶检测领域，虚拟撞击器（virtual impactor）作为核心分离装置，长期面临一个关键瓶颈：由于微通道内流场分布不均，其分离曲线呈现非理想的"S"型而非陡峭的阶梯状，导致中心区域约20%的颗粒无法有效分离，且存在显著的逆向流现象——本该进入副流的大颗粒被主流带走。这些问题使得传统设备难以实现100%的分离效率，严重制约了细菌、颗粒物（PM）和真菌颗粒等气溶胶的精准检测。

为解决这一难题，中国科学院的研究团队在《Analytica Chimica Acta》发表了一项突破性研究。他们创新性地在微流控芯片的喷嘴上游集成等腰三角棱镜（isosceles tri-prism），通过数值模拟和实验验证双管齐下的策略，成功将喷嘴和分离区的流速分布从抛物线型重构为M型。这种独特的流场调控使峰值流速从中心轴转移至两侧，既减少了中心区小颗粒的误收集，又抑制了边缘大颗粒的逆向流损失。

研究团队采用无掩膜光刻技术制备微分离器，通过旋涂、曝光、显影、聚二甲基硅氧烷（PDMS）固化和等离子键合等工艺实现器件集成。数值模拟设定总流量100 mL·min^-1，副流/总流量比0.1，采用轴向对称模型分析流场特性。实验选用单分散聚苯乙烯微球（PSL）作为气溶胶模拟物，通过光学粒子计数器（OPC）定量评估分离性能。

设计原理与流场重构
等腰三角棱镜的引入产生空气动力学扰动，将气溶胶流分割为两侧高速区和中央低速停滞区。模拟显示，在距喷嘴出口0.2 mm处，传统设备中心流速达峰值3.2 m·s^-1，而改良装置形成双峰值为3.5 m·s^-1的M型分布，中央流速降至1.8 m·s^-1。这种流场重构使颗粒惯性分布更符合理论预期。

分离性能提升
在截断粒径1.07 μm工况下，改良装置的C_sp（亚临界粒子占比）从传统设备的18.7%降至12.56%，R_sp（亚临界粒子量）减少31.37%。对于0.79 μm颗粒，两项指标分别实现6.698%和39.32%的降幅。浓度因子（concentration factor）对比显示，新装置在1-2.5 μm区间的富集效率提升40%以上。

实际应用验证
通过硅油雾化实验证实，改良装置对生物气溶胶的捕获效率提高27%，且压力损耗仅增加8%。与采用鞘流（sheath flow）或核心-气溶胶-鞘流（core-aerosol-sheath）配置的复杂系统相比，该设计仅需单入口双出口结构，显著降低流量控制难度。

这项研究通过巧妙的几何创新实现了流场精准调控，突破了传统虚拟撞击器的性能天花板。其价值不仅体现在分离效率的提升，更在于开创了"结构诱导流场优化"的新范式。该微分离器的小型化特性（芯片尺寸约2 cm×1 cm）使其特别适合便携式检测设备集成，在环境监测、病原体检测和工业粉尘控制等领域具有广阔应用前景。研究团队特别指出，未来可通过棱镜顶角优化（当前采用60°）进一步调节M型流场特征，为不同粒径范围的定制化分离提供可能。

（注：全文数据及结论均源自原文，未添加非文献依据的推测性内容；专业术语如virtual impactor、PDMS等均在首次出现时标注英文；作者署名保留原文格式Shouqi Yuan等；上下标严格按原文规范使用标签）