终端封闭微通道中粒子移动耦合模型控制方法技术

本发明专利技术公开了终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法，包括模型通道和控制装置；所述模型通道包括主微通道和支路通道，所述主微通道与支路通道的一端连接固定，支路通道的另一端封闭，该主微通道的入口设置微泵控制溶液进入，支路通道为真空状态；所述溶液包括带荧光粒子的NaCl溶液、NaCl溶液和油滴；所述控制装置包括微泵、移动控制芯片和高速相机，微泵、高速相机与移动控制芯片连接；本发明专利技术提供了提供了快速参数辨识、最优精准控制边界溶液进行移动扩散的终端封闭微通道中粒子移动耦合模型控制方法。

Particle moving coupling model control method in terminal closed microchannel

The invention discloses a fluorescent particle movement coupling model control method in a terminal closed microchannel, including a model channel and a control device; the model channel comprises a main microchannel and a branch channel, the main microchannel is fixed at one end of the branch channel, the other end of the branch channel is closed, and the entrance of the main microchannel is arranged. The solution comprises a NaCl solution with fluorescent particles, a NaCl solution and droplets of oil; the control device comprises a micro pump, a motion control chip and a high-speed camera, and a micro pump and a high-speed camera are connected to a motion control chip; the invention provides a fast parameter identification and the most efficient method. A coupled model control method for particle movement in a terminal closed microchannel with precise and optimal control of boundary solution diffusion is proposed.

【技术实现步骤摘要】
终端封闭微通道中粒子移动耦合模型控制方法
本专利技术涉及微流控领域，更具体的说，它涉及终端封闭微通道中粒子移动耦合模型控制方法。
技术介绍
在20世纪，人们借助于电子在半导体或金属中流动得到的“信息”，成就了具有战略意义的信息科学技术；而在21世纪，通过带有可溶性生物分子或悬浮细胞的水溶液在移动控制芯片通道或平面上流动以研究生命、理解生命，以至于部分地改造生命，将有可能同样成就一种新的具有战略意义的科学技术：微流控学。微通道中粒子移动是微流控学研究的热点之一。而在终端封闭的微通道中，由于其一端封闭的几何形状是不允许有净流体流量产生，如何将粒子有效地传输到终端封闭的几何形状中对许多生命领域是非常重要的。在药物传输中，药物通过主血管通道传输，然而连接着的旁支(封闭支路)，都是一些需要药物治疗的重要部位，比如坏死的细胞区域。在大脑细胞外间隙中，由于不规则的细胞排列产生“死区”，分子在死区内运动不仅与细胞外间隙的扩散紧密相关，而且影响死区附近，细胞对分子的吸收。众所周知，布朗运动很自然地作为一种粒子移动的机制，然而单靠布朗运动是非常低效的。压力驱动微流体运动，流体携带着粒子移动的方案并不可取，由于终端封闭的微通道中没有净流量，施加的流体压力不仅没能驱动粒子，反而有可能破坏终端封闭结构。电动驱动作为微流控学近十几年来主要研究热点之一，其在粒子移动方面有较成熟的研究，但在终端封闭这些较偏的“支路”结构中施加电场，显得力不从心。而通过化学的方法，设计粒子移动的化学条件，对于现有的科技提出很大的挑战。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供了快速参数辨识、最优精准控制边界溶液进行移动扩散的终端封闭微通道中粒子移动耦合模型控制方法。本专利技术的技术方案如下：终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法，包括模型通道和控制装置；所述模型通道包括主微通道和支路通道，所述主微通道与支路通道的一端连接固定，支路通道的另一端封闭，该主微通道的入口设置微泵控制溶液进入，支路通道为真空状态；所述溶液包括带荧光粒子的NaCl溶液、NaCl溶液和油滴；所述控制装置包括微泵、移动控制芯片和高速相机，微泵、高速相机与移动控制芯片连接，具体移动芯片处理步骤如下：101)获得支路通道的灰度图步骤：通过高速相机获取支路通道的灰度图，荧光粒子的实际流动速度，该实际流动速度包括荧光粒子扩散电泳速度和流体运动速度两者之和；102)获得荧光粒子浓度步骤：灰度值正比于荧光粒子浓度值，而获得I(x,z,t)∝n(x,z,t)，其中I为像素点的灰度值，n为高速相机拍摄时刻的荧光粒子浓度值，该灰度值、荧光粒子浓度值与x方向即x轴线方向和z方向即高度方向有关，t为时间变量；103)获取荧光粒子溶液浓度变化步骤：在支路通道中，采用一维的扩散模型来获得荧光粒子溶液在N个基函数的变化叠加组成，其中N为10，具体公式如下：其中c(x,t)为支路通道中的NaCl溶液浓度，an＝2(1-cosλn)/λn和λn＝(2n+1)π/2，其将溶液浓度变化在时间上和空间上分离，Dc为NaCl双极性溶液的扩散系数，初始条件c(x,0)＝ci，其中ci为一常数；边界条件c(0,t)＝c0,在参c0为一已知量，x＝L处的边界条件代表终端是封闭的；104)获得荧光粒子扩散电泳速度步骤：令c(x,z,t)＝c(x,t)，c(x,z,t)表示为荧光粒子的移动变化，此时c(x,z,t)与z方向无关，即在特定的x方向上，所有z方向的溶液浓度都相等；从而得到荧光粒子在溶液浓度梯度驱动下移动，产生的荧光粒子扩散电泳速度公式如下：其中，Γp为荧光粒子扩散电泳的系数，vp(x,z,t)为荧光粒子扩散电泳速度，此速度是在溶液浓度梯度驱动下产生的；105)获得流体速度步骤：流体的速度为vf(x,z,t)＝[vxf(x,z,t),vzf(x,z,t)]·，具体流体在x方向z方向的两个维度上的速度如下：其中Γw为壁面滑移系数，H表示z方向上的高度，是常量；106)获得荧光粒子移动速度步骤：由流体速度、荧光粒子扩散电泳速度得到荧光粒子移动的实际速度v(x,z,t)＝vp(x,z,t)+vf(x,z,t)，并令v(x,z,t)＝[vx(x,z,t),vz(x,z,t)]·；从而建立封闭终端微通道中荧光粒子在x方向z方向上的移动公式如下：其中Dp是荧光粒子的扩散系数，其边界条件为如下公式：N为荧光粒子在x＝0处的浓度值，为一常数；后三项为在x＝L,z＝H,z＝0处满足的自然边界条件；107)最优策略步骤：设置荧光粒子在一定的时间内要达到的分布量，结合荧光粒子的相关数据，而采用近似梯度优化方法和形式梯度优化法来制定最佳溶液边界控制方法，所述荧光粒子的相关数据包括荧光粒子溶液浓度、荧光粒子浓度变化、荧光粒子扩散电泳速度、流体速度和荧光粒子移动速度。进一步的，所述步骤107)具体的最优策略步骤如下：701)确定控制形式步骤：移动控制芯片采用边界溶液浓度作为实际控制溶液移动扩散的控制量；702)近似梯度优化步骤：由荧光粒子移动模型推演得到多个不同方向的优值，并比较所有的优值，获得荧光粒子移动相对最优值，而防止了优化方法陷入局部最优解；703)形式梯度优化步骤：对相对最优值进行处理，具体处理为通过变分方法得到伴随模型，并结合有限元方法，获得荧光粒子移动模型，最终得到边界溶液最佳控制方法。进一步的，确定控制形式的控制目标为：nd(x,z)为荧光粒子浓度分布达到期望的分布。进一步的，基于FenicsProject的近似梯度优化方法步骤如下：1)将需要优化的量c0在猜测区间中分成N个，那么就有N组优化猜测值；2)加一个扰动项系数β，取[0,0.05]之间的数；3)计算每个目标函数之差并更新γ也是个确定的系数，k表示第k次迭代；4)在第k+1步，采用平移变换算子其中θ为给定常值，R为满足[0,1]分布的随机数，在与周围随机取2N个方向，计算目标函数J，得到2N个目标函数，得到2N个目标函数值最小时的值；5)计算ε取0.01，则停止，否则返回第3步；6)最后，将N个最优值中选取最小值，并记录此时的优化量c0。进一步的，形式梯度优化步骤的具体如下：采用变分方法，并基于FenicsProject，结合有限元方法，得到荧光粒子移动模型，荧光粒子移动模型为：其中m＝1,2,3,...,M，M为[0,T]之间的离散数，Δt＝T/M为时间间隔量，w(x,z)为FenicsProject设定的测试函数，满足第一边界条件时，其形成Fenics形式的伴随模型如下：本专利技术相比现有技术优点在于：1、本专利技术精简巧妙的支路通道荧光粒子移动控制芯片拓扑结构设计，通过主微通道中油滴的注入，防止不同浓度的NaCl溶液在主微通道中混合，从而在支路通道中产生溶液浓度梯度。对支路通道和主微通道采用真空处理，从而使初始的NaCl溶液能自发地注满整个荧光粒子移动控制芯片。2、本专利技术的终端微通道中荧光粒子移动耦合模型包括荧光粒子移动时空演化模型和溶液浓度时空演化模型，其中后者耦合与前者。分析物理过程，将溶液浓度模型弱化为一维扩散模型。后者采用二维荧光粒子移动时空演化模型，精准描述荧光粒子移动的过程。控制器设计在溶液浓度时空演化模型的边界上，而控制目标只跟荧光粒子移动时空演化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法，其特征在于，包括模型通道和控制装置；所述模型通道包括主微通道和支路通道，所述主微通道与支路通道的一端连接固定，支路通道的另一端封闭，该主微通道的入口设置微泵控制溶液进入，支路通道为真空状态；所述溶液包括带荧光粒子的NaCl溶液、NaCl溶液和油滴；所述控制装置包括微泵、移动控制芯片和高速相机，微泵、高速相机与移动控制芯片连接，具体移动芯片处理步骤如下：101)获得支路通道的灰度图步骤：通过高速相机获取支路通道的灰度图，荧光粒子的实际流动速度，该实际流动速度包括荧光粒子扩散电泳速度和流体运动速度两者之和；102)获得荧光粒子浓度步骤：灰度值正比于荧光粒子浓度值，而获得I(x,z,t)∝n(x,z,t)，其中I为像素点的灰度值，n为高速相机拍摄时刻的荧光粒子浓度值，该灰度值、荧光粒子浓度值与x方向即x轴线方向和z方向即高度方向有关，t为时间变量；103)获取荧光粒子溶液浓度变化步骤：在支路通道中，采用一维的扩散模型来获得荧光粒子溶液在N个基函数的变化叠加组成，其中N为10，具体公式如下：

【技术特征摘要】
1.终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法，其特征在于，包括模型通道和控制装置；所述模型通道包括主微通道和支路通道，所述主微通道与支路通道的一端连接固定，支路通道的另一端封闭，该主微通道的入口设置微泵控制溶液进入，支路通道为真空状态；所述溶液包括带荧光粒子的NaCl溶液、NaCl溶液和油滴；所述控制装置包括微泵、移动控制芯片和高速相机，微泵、高速相机与移动控制芯片连接，具体移动芯片处理步骤如下：101)获得支路通道的灰度图步骤：通过高速相机获取支路通道的灰度图，荧光粒子的实际流动速度，该实际流动速度包括荧光粒子扩散电泳速度和流体运动速度两者之和；102)获得荧光粒子浓度步骤：灰度值正比于荧光粒子浓度值，而获得I(x,z,t)∝n(x,z,t)，其中I为像素点的灰度值，n为高速相机拍摄时刻的荧光粒子浓度值，该灰度值、荧光粒子浓度值与x方向即x轴线方向和z方向即高度方向有关，t为时间变量；103)获取荧光粒子溶液浓度变化步骤：在支路通道中，采用一维的扩散模型来获得荧光粒子溶液在N个基函数的变化叠加组成，其中N为10，具体公式如下：其中c(x,t)为支路通道中的NaCl溶液浓度，an＝2(1-cosλn)/λn和λn＝(2n+1)π/2，其将溶液浓度变化在时间上和空间上分离，Dc为NaCl双极性溶液的扩散系数，初始条件c(x,0)＝ci，其中ci为一常数；边界条件c(0,t)＝c0,在参c0为一已知量，x＝L处的边界条件代表终端是封闭的；104)获得荧光粒子扩散电泳速度步骤：令c(x,z,t)＝c(x,t)，c(x,z,t)表示为荧光粒子的移动变化，此时c(x,z,t)与z方向无关，即在特定的x方向上，所有z方向的溶液浓度都相等；从而得到荧光粒子在溶液浓度梯度驱动下移动，产生的荧光粒子扩散电泳速度公式如下：其中，Γp为荧光粒子扩散电泳的系数，vp(x,z,t)为荧光粒子扩散电泳速度，此速度是在溶液浓度梯度驱动下产生的；105)获得流体速度步骤：流体的速度为具体流体在x方向z方向的两个维度上的速度如下：其中Γw为壁面滑移系数，H表示z方向上的高度，是常量；106)获得荧光粒子移动速度步骤：由流体速度、荧光粒子扩散电泳速度得到荧光粒子移动的实际速度v(x,z,t)＝vp(x,z,t)+vf(x,z,t)，并令v(x,z,t)＝[vx(x,z,t),vz(x,z,t)]·；从而建立封闭终端微通道中荧光粒子在x方向z方向上的移动公式如下：其中Dp是荧光粒子的扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈特欢，蔡振宇，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33