分层两相微流控装置对亚微米气溶胶颗粒的连续采样效能研究及其在生物威胁实时监测中的突破

本综述重点介绍了一种基于惯性微流控技术的分层两相螺旋微通道装置，通过多相计算流体动力学（CFD）模拟与实验验证，显著提高了对0.20–1.60 μm气溶胶颗粒（如病毒、细菌等生物威胁物）的捕获效率。该设计在分流效率（Diversion Efficiency）和截留效率（Entrapment Efficiency）上分别实现约两倍和五倍的提升，且压降增幅不足两倍，为实时、连续生物监测提供了高效集成解决方案。

　　

Simulation Methods（模拟方法）

使用ANSYS Fluent 2022 R1进行计算流体动力学（CFD）模拟，分析U形微通道和两段螺旋微通道中的流场与颗粒轨迹。采用二维（2D）多相模型预测不同操作条件和颗粒尺寸下的颗粒捕获效率。每个微通道设有两个入口（空气与水）和两个出口。

Microfluidic Device Fabrication（微流控装置制备）

设计并制备了U形微通道（曲率半径10.8 mm，宽度1000 μm，高度100 μm）和两段螺旋微通道（平均曲率半径10.8 mm，宽度1000 μm，高度100 μm）。装置包含两个入口（空气与水）和两个出口，旨在理想状态下分离空气与携带颗粒的水相，但实际中水出口常存在少量空气，称为“多相出口”。

Results and Discussion（结果与讨论）

图4（a）展示了U形与两段螺旋微通道中在注入单分散颗粒前形成的稳态空气-水分层流。U形通道中0.79 μm与1.0 μm颗粒的轨迹见图4（b）与（c），而螺旋通道中0.30 μm与0.79 μm颗粒轨迹见图4（e）与（f）。较小颗粒在两种设计中均抵达通道末端并从空气出口排出，而较大颗粒因惯性力作用更易被推入水相。螺旋通道因其多段曲率设计，显著增强了亚微米颗粒的径向迁移与捕获效能。

Conclusions（结论）

本研究通过模拟与实验验证了一种基于分层流的惯性微流控装置，可高效捕获亚微米聚苯乙烯气溶胶颗粒。该装置适用于实时浓缩与传感空气传播颗粒（如生物威胁物）。使用Ansys Fluent模拟U形与螺旋微通道中的多相流场，并通过追踪颗粒路径量化其捕获行为。螺旋设计在分流效率与截留效率上均显著优于传统U形通道，尤其对亚微颗粒表现出更强捕获能力，为下一代实时生物威胁富集装置开发提供了新方向。