微流控芯片具有成本低、尺寸小和样品消耗小等优势,在生物医学领域中蓬勃发展,特别是颗粒/细胞分离方面。由于磁场灵活可控、几乎不产生热量、不需要昂贵的外部系统作为辅助,磁场驱动的微流控芯片被众多学者相继提出。磁流体是表面活性剂包被的磁性纳米颗粒在水溶液或有机溶液中的稳定胶体悬浮液,由于其具有较大的磁化率,在基于负磁泳原理的颗粒/细胞分离技术中被广泛使用。针对新兴的无标记颗粒/细胞分离技术,本文采用磁场倾斜和流场多相两种颗粒磁分离的方法,并开展系统的理论和实验研究,旨在启发相关领域研究人员的思考,促进颗粒无标记磁分离的发展,最终能够应用到癌细胞的分离和检测上。针对永磁铁倾斜建立了磁流体中颗粒运动的模型,推导出作用在颗粒上的磁力表达式,磁力与颗粒大小、颗粒-磁流体的磁化率相对大小和倾斜角度有关,简单地量纲分析了颗粒的运动轨迹。聚苯乙烯颗粒是非磁性的,磁化率近似等于零,磁流体的磁化率为正值,两者磁化率之差为负值,磁力为负值,颗粒朝着磁通密度较低的区域运动,当两块永磁铁同极相对放置时通道中心处产生零场强区域,引起颗粒聚集。永磁铁倾斜一定角度后,通道中心线上的磁场强度和磁力都将突变转向,基于突变值和实际血液通量确定倾斜角度的范围为0°~20°。模型引入粘性阻力系数来考虑通道壁面对颗粒运动的影响,并根据磁力与粘性阻力平衡关系推导出颗粒速度的计算公式,颗粒速度分布曲线和磁场强度一致。引入雷诺数判断矩形微通道中流体的流动状态,并根据通道入口流量与压降的关系推导出矩形通道中流体速度的计算公式,流体速度在通道横截面上呈抛物线分布。由于永磁铁的磁场强度对称分布特性,颗粒在通道内的运动轨迹取决于磁力和惯性力之间的相对大小,基于最大磁力计算出临界流量以避免颗粒在通道前端形成环形。针对生物颗粒在磁流体中的暴露时间不宜过长的问题,采用流体多相的方法使生物颗粒重新悬浮到去离子水或缓冲液中,研究了不同通道入口流量下通道内各流体宽度的分布情况,探讨了磁场对界面分布的影响。根据牛顿流体应力应变之间的关系,推导出通道内去离子水和磁流体的宽度变化规律,两者宽度比是粘度比和速度比的乘积。流体之间的表面张力是颗粒突破界面的主要障碍,基于最大表面张力计算出临界磁场。磁流体浓度越小、颗粒直径越大,所需的临界磁场越小,颗粒越容易突破界面。在理论计算的基础上,结合COMSOL软件模拟计算了磁场、流场、颗粒轨迹和相界面,磁场强度和流速的模拟结果与理论计算一致。开展了临界流量、倾斜角度和剩余磁化强度对颗粒聚集影响的实验研究,实验结果较好地验证了理论预测。提高聚集效率可以从以下几个因素来考虑:磁流体浓度、颗粒大小、永磁铁剩余磁化强度、永磁铁与通道之间的距离以及通道入口流量。探索了磁场、通道入口角度和通道入口流量比对相界面的影响。通道内磁流体的宽度受到磁场的影响,在通道长度上呈现磁场强度的变化规律。通道入口角度为45°或60°、去离子水和磁流体的通道入口流量比超过7:1时,可以形成较为清晰的界面。本文通过理论分析、数值模拟和实验验证三个方面对颗粒磁分离进行了系统的研究,其中永磁铁倾斜的方法在之前的研究中并未被提出,希望可以为颗粒/细胞无标记磁分离领域的研究人员提供相应的理论和实验参考。