本發(fā)明涉及納流控領域，特別是涉及一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)。

背景技術：

隨著科學技術的進步，人們已經可以將一些生物、化學領域所涉及的基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的小型芯片上，形成所謂的芯片實驗室(lab-on-a-chip)，有時也稱為微型全分析系統(tǒng)(micrototalanalysissystems，μtas)。由于芯片實驗室可將多種生化分析單元靈活集成到整體可控的微小平臺上，便于攜帶，可大幅縮短樣品處理時間并降低樣品消耗及成本，且可以顯著提高分析過程的分辨率和靈敏度，因此越來越受到人們的關注和研究。

一些典型的以芯片為平臺的微全分析系統(tǒng)中，分布著各種儲液池以及連接他們構成體系的微/納米量級的通道網絡，在這些微/納米量級的通道網絡中可能還分布著大量的電極。微/納米量級通道網絡的主要作用是輸運各種溶液，因此實現(xiàn)芯片實驗室生化分析功能的一個核心技術保障是實現(xiàn)對微/納米量級通道網絡中流體流動過程的精確控制，也就是要設計出合理、可靠的微/納流控系統(tǒng)。由于芯片實驗室空間很小，因此在設計微/納流控系統(tǒng)時一個重要原則是要盡可能避免引入外部的能量(比如壓差)提供系統(tǒng)以及相關控制、檢測系統(tǒng)。

對于微流控系統(tǒng)，大量學者嘗試著利用表面張力對該系統(tǒng)中的流動過程進行控制，并且取得了不錯的結果。但是關于納流控系統(tǒng)中流體的控制問題，目前還處于基礎研究階段。學者們利用加工得到的納米通道對利用表面張力驅動流體的毛細流動過程進行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有的理論模型確定流體參數(shù)，然后利用該流體進行實驗得到流體的流動速度與理論預測值有偏差，而且并不能確定到底是什么原因導致了實驗值與理論值之間的偏差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法及系統(tǒng)，能夠準確確定流體的參數(shù)，以解決傳統(tǒng)納流控系統(tǒng)中由于流體參數(shù)確定有誤差，導致實驗結果有誤差的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法，所述方法包括：

獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細流動時的牛頓動力學公式：其中l(wèi)(t)表示t時刻流體的流動距離，l′(t)表示l(t)的一階導數(shù)，l″(t)表示l(t)的二階導數(shù)，ρ表示流體密度，σ表示流體表面張力，θe表示流體與通道壁間的平衡接觸角，η表示流體動力黏度，h表示通道高度，w表示通道寬度，g表示重力加速度；

根據所述牛頓動力學公式，獲取流體流動長度與時間的理論關系式：其中alw為理論斜率，

建立流體流動長度與時間的實際關系模型：其中a和b為與通道深度有關的未知參數(shù)，aexp為實際的擬合斜率，則

利用已知流體進行實驗，根據實驗得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，確定關于流體參數(shù)的關系模型

根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值，以便根據所述流體參數(shù)對所述納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制。

可選的，所述利用已知流體進行實驗，根據實驗得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，具體包括：

獲取m組實驗中的每組實驗的擬合斜率和對應理論斜率的比值，得到：其中m為大于1的整數(shù)，aexp(k)表示第k組實驗得到的擬合斜率，k＝1，2，……m，alw(k)表示第k組實驗對應的理論斜率，σ(k)表示第k組實驗中流體表面張力，θe(k)表示第k組實驗中流體與通道壁間的平衡接觸角，η(k)表示第k組實驗中流體動力黏度；

根據所述m組實驗的已知流體的相關參數(shù)，獲得每組實驗已知流體對應的參數(shù)，其中所述相關參數(shù)包括流體表面張力σ(k)、流體與通道壁間的平衡接觸角θe(k)、流體動力黏度η(k)；

確定所述a和所述b的值。

可選的，所述根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值，具體包括：

當實驗需求為流體實際輸運速率為理論輸運速率的n％時，令即

確定所述流體參數(shù)的值。

可選的，所述根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值，具體包括：

當實驗需求為流體實際擬合斜率aexp＝m時，根據所述關系模型獲得流體實際擬合斜率aexp與流體參數(shù)的關系

根據aexp＝m確定所述流體參數(shù)的值。

可選的，所述根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值之后，還包括：

根據所述流體參數(shù)的值，確定流體的種類，以滿足實驗需求。

一種納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

流體牛頓動力學公式獲取模塊，用于獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細流動時的牛頓動力學公式：

其中l(wèi)(t)表示t時刻流體的流動距離，l′(t)表示l(t)的一階導數(shù)，l″(t)表示l(t)的二階導數(shù)，ρ表示流體密度，σ表示流體表面張力，θe表示流體與通道壁間的平衡接觸角，η表示流體動力黏度，h表示通道高度，w表示通道寬度，g表示重力加速度；

流體流動長度與時間的理論關系獲取模塊，用于根據所述牛頓動力學公式，獲取流體流動長度與時間的理論關系式：其中alw為理論斜率，

流體流動長度與時間的實際關系模型建立模塊，用于建立流體流動長度與時間的實際關系模型：其中a和b為與通道深度有關的未知參數(shù)，aexp為實際的擬合斜率，則

未知參數(shù)確定模塊，用于利用已知流體進行實驗，根據實驗得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，確定關于流體參數(shù)的關系模型

流體參數(shù)確定模塊，用于根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值，以便根據所述流體參數(shù)對所述納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制。

可選的，所述未知參數(shù)確定模塊，具體包括：

擬合斜率與理論斜率比值計算單元，用于獲取m組實驗中的每組實驗的擬合斜率和對應理論斜率的比值，得到：其中m為大于1的整數(shù)，aexp(k)表示第k組實驗得到的擬合斜率，k＝1，2，……m，alw(k)表示第k組實驗對應的理論斜率，σ(k)表示第k組實驗中流體表面張力，θe(k)表示第k組實驗中流體與通道壁間的平衡接觸角，η(k)表示第k組實驗中流體動力黏度；

流體參數(shù)計算單元，用于根據所述m組實驗的已知流體的相關參數(shù)，獲得每組實驗已知流體對應的參數(shù)，其中所述相關參數(shù)包括流體表面張力σ(k)、流體與通道壁間的平衡接觸角θe(k)、流體動力黏度η(k)；

未知參數(shù)確定單元，用于確定所述a和所述b的值。

可選的，當實驗需求為流體實際輸運速率為理論輸運速率的n％時，所述流體參數(shù)確定模塊利用公式即確定所述流體參數(shù)的值；

可選的，當實驗需求為流體實際擬合斜率aexp＝m時，所述流體參數(shù)確定模塊根據所述關系模型獲得流體實際擬合斜率aexp與流體參數(shù)的關系根據aexp＝m確定所述流體參數(shù)的值。

可選的，所述系統(tǒng)還包括：

流體種類確定模塊，用于根據所述流體參數(shù)的值，確定流體的種類，以滿足實驗需求。

根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：

通過建立納流控系統(tǒng)中的流體流動長度與時間的實際關系模型，與理論關系式建立聯(lián)系，根據實際實驗的m組數(shù)據確定實際關系模型中的未知參數(shù)，從而確定實際關系模型，解決了采用理論關系式計算帶來的誤差；具體應用時，可以根據實際關系模型確定流體參數(shù)的實際表達式，從而根據實驗需求，確定流體參數(shù)的值，準確地確定流體參數(shù)對應的流體種類，實現(xiàn)對納流控系統(tǒng)的流動過程的精準控制；還可以對已知流體的流體參數(shù)準確預測毛細流動過程的速度，從而可根據用戶要求選用相關流體進行毛細輸運，設計出符合要求的納流控系統(tǒng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定系統(tǒng)的結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定方法的流程圖。如圖1所示，所述方法包括：

步驟101：獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細流動時的牛頓動力學公式。對于深為h寬為w的矩形截面通道，不可壓牛頓流體在該通道中作毛細流動時,牛頓動力學方程為：

其中l(wèi)(t)表示t時刻流體的流動距離，l′(t)表示l(t)的一階導數(shù)，l″(t)表示l(t)的二階導數(shù)，ρ表示流體密度，σ表示流體表面張力，θe表示流體與通道壁間的平衡接觸角，η表示流體動力黏度，h表示通道高度，w表示通道寬度，g表示重力加速度。

步驟102：獲取流體流動長度與時間的理論關系式。對于納流控系統(tǒng)中的納米尺度通道，可以忽略慣性力項及重力項的影響，且在納米通道中通道深度遠小于通道寬度(即h<<w)，因此根據步驟101的牛頓動力學公式，可以推導出流體流動長度與時間的理論關系式為：其中alw為理論斜率，也就是當流體確定時，其相關的各個參數(shù)是確定的，利用理論關系式便可得到理論上的流動長度與時間的關系，此理論關系式是目前預測毛細流動過程的宏觀理論模型，即為lw模型。對于某一深度h的通道，如果流體表面張力σ、流體與通道壁間的平衡接觸角θe、流體動力黏度η在流體流動過程中保持不變，那么流動距離l(t)與成線性關系，也就是說，alw是常數(shù)。觀察該模型，如果知道了通道深度h，以及的相關參數(shù)(流體表面張力σ、流體與通道壁間的平衡接觸角θe、流體動力黏度η)，就可以利用該模型預測流體在納米通道中的速度，從而根據實驗需求設計納流控系統(tǒng)?；谠撃Ｐ?，大量學者進行了實驗研究，主要得到了以下三點結論：1.定性分析結果表明，目前納米通道中毛細流動過程的流動趨勢可以用已有宏觀理論模型進行預測，即流動時流動距離l(t)與成線性關系；2.定量分析結果表明，目前的宏觀理論預測模型不能很好的解釋實驗現(xiàn)象，實驗中流體的流動速度普遍低于理論預測值，即實驗結果的擬合斜率(aexp)＜理論斜率(alw)；3.并不能確定到底是什么原因導致了實驗值與理論值之間的偏差。這也就說，目前的宏觀理論模型無法準確預測納米通道中的毛細流動過程，也就是無法將該模型用于設計納流控系統(tǒng)。因此，在實際應用時，需要基于理論關系式，建立新的模型。

步驟103：建立流體流動長度與時間的實際關系模型。建立實際關系模型為：其中a和b為與通道深度有關的未知參數(shù)，即通道深度不同，則a、b的值不同，aexp為實際的擬合斜率，則

步驟104：確定關系模型的未知參數(shù)，確定關系模型?？梢岳靡阎黧w進行實驗，根據實驗得到的的擬合斜率和已知流體的理論斜率，確定所述a和b的值，確定關于流體參數(shù)的關系模型流體參數(shù)作為關系模型中的變量，一旦關系模型確定，則只需根據實驗需求，求得相應的流體參數(shù)即可。具體的，確定未知參數(shù)的過程，對于一個已知具體深度的通道，可以使用m種簡單牛頓流體開展毛細流動實驗，m為大于1的整數(shù)，記錄下每種流體實驗的擬合斜率和理論斜率的比值與關系的數(shù)據，在直角坐標系中畫出與的關系圖，從而就可以得到a、b值，從而確定實際關系模型然后就可以準確預測毛細流動過程的速度，從而可根據用戶要求選用相關流體進行毛細輸運，設計出符合要求的納流控系統(tǒng)。

步驟105：根據實驗需求，確定流體參數(shù)的值。流體參數(shù)是每種流體特有的參數(shù)，不同的流體其流體參數(shù)不同。因此，根據實驗不同的需求，從而確定確切計算流體參數(shù)的值，便可以根據所述流體參數(shù)對所述納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制。然后根據所述流體參數(shù)的值，確定流體的種類，以滿足實驗需求。

例如，當實驗需求為流體實際輸運速率為理論輸運速率的n％時，即想要確定哪種流體可以實現(xiàn)實際輸運速率為理論輸運速率的n％，此處令即確定所述流體參數(shù)的值；然后確定流體的種類，以滿足實驗需求。此處直接應用直接進行計算是因為其中vexp表示實際輸運速率，vlw表示理論輸運速率，l(t)＝vt，那么則aexp為實際的擬合斜率，其實表示的物理意義可以理解為流體實際的輸運能力，同理，alw為理論斜率，表示的物理意義可以理解為流體理論的輸運能力。

例如，當實驗需求為流體實際擬合斜率aexp＝m時，根據流動長度與時間的關系模型獲得流體實際擬合斜率aexp與流體參數(shù)的關系進而根據aexp＝m便可對應得到流體參數(shù)的值，從而確定流體種類。由于aexp表示的物理意義為流體實際的輸運能力，因此，aexp值越大，表示需求的流體輸運能力越強，對應的輸運速率越大。

本發(fā)明中確定未知參數(shù)，并根據實驗需求，確定流體參數(shù)的值，對納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制的具體實施方式1：

對于116nm深通道，首先使用異丙醇、乙醇、去離子水3種牛頓流體開展毛細流動實驗，三種流體相關參數(shù)如表1所示

表1實驗流體的相關參數(shù)

使用上述三種流體開展毛細流動實驗，即測得流體在116nm深通道中流動距離l(t)隨的變化關系，并對實驗結果擬合得到實驗斜率aexp，將該斜率與理論斜率alw進行對比，結果如表2所示

表2實驗數(shù)據的擬合斜率與理論計算的斜率比值

根據表2中數(shù)據，在直角坐標系中作出與關系圖，得到實驗數(shù)據的線性擬合線。從擬合線可以得到，a＝1.05929，b＝-0.00971，即：

利用上式，我們可以根據需要選擇116nm深通道中輸運流體的種類：比如，希望得到流體實際運輸速率能達到理論輸運速率的情況，這里可以令計算得到也就是說選擇在6附近的流體即可，這里我們選擇30％甘油，該種流體的為7.347，而實驗發(fā)現(xiàn)該種流體的值為1.007，基本能達到要求。

本發(fā)明中確定未知參數(shù)，并根據實驗需求，確定流體參數(shù)的值，對納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制的具體實施方式2：

對于68nm深通道，首先使用乙醇、異丙醇、70％甘油、30％甘油4種牛頓流體開展毛細流動實驗，四種流體相關參數(shù)如表3所示

表3實驗流體的相關參數(shù)

使用上述四種流體開展毛細流動實驗，即測得流體在68nm深通道中流動距離l(t)隨的變化關系，并對實驗結果擬合得到實驗斜率aexp，將該斜率與理論斜率alw進行對比，結果如表4所示

表4實驗數(shù)據的擬合斜率與理論計算的斜率比值

根據表4中數(shù)據，在直角坐標系中作出與關系圖，得到實驗數(shù)據的線性擬合線。從擬合線可以得到，a＝0.86107，b＝-0.00983，即：

利用上式，我們可以根據需要選擇68nm深通道中輸運流體的種類：比如，如果希望得到流體實際運輸速率能達到理論輸運速率的50％的情況，這里可以令計算得到也就是說選擇在36.731附近的流體即可，這里我們選擇去離子水，該種流體的為34.854，而實驗發(fā)現(xiàn)值為0.554，基本能達到要求。

圖2為本發(fā)明納流控系統(tǒng)中流體參數(shù)的確定系統(tǒng)的結構圖。所述結構包括：

流體牛頓動力學公式獲取模塊201，用于獲取流體在納流控系統(tǒng)的通道中做毛細流動時的牛頓動力學公式：其中l(wèi)(t)表示t時刻流體的流動距離，l′(t)表示l(t)的一階導數(shù)，l″(t)表示l(t)的二階導數(shù)，ρ表示流體密度，σ表示流體表面張力，θe表示流體與通道壁間的平衡接觸角，η表示流體動力黏度，h表示通道高度，w表示通道寬度，g表示重力加速度；

流體流動長度與時間的理論關系獲取模塊202，用于根據所述牛頓動力學公式，獲取流體流動長度與時間的理論關系式：其中alw為理論斜率，

流體流動長度與時間的實際關系模型建立模塊203，用于建立流體流動長度與時間的實際關系模型：其中a和b為與通道深度有關的未知參數(shù)，aexp為實際的擬合斜率，則

未知參數(shù)確定模塊204，用于利用已知流體進行實驗，根據實驗得到的擬合斜率和所述已知流體的理論斜率，確定所述a和所述b的值，具體的，對于一個已知具體深度的通道，使用m種簡單牛頓流體開展毛細流動實驗，記錄下每種流體實驗的擬合斜率和理論斜率的比值與關系的數(shù)據，在直角坐標系中畫出與的關系圖，從而就可以得到a、b值，之后就可以確定關于流體參數(shù)的關系模型

所述未知參數(shù)確定模塊204，具體包括：

擬合斜率與理論斜率比值計算單元，用于獲取m組實驗中的每組實驗的擬合斜率和對應理論斜率的比值，得到：其中aexp(k)表示第k組實驗得到的擬合斜率，k＝1，2，……m，alw(k)表示第k組實驗對應的理論斜率，σ(k)表示第k組實驗中流體表面張力，θe(k)表示第k組實驗中流體與通道壁間的平衡接觸角，η(k)表示第k組實驗中流體動力黏度；

流體參數(shù)計算單元，用于根據所述m組實驗的已知流體的相關參數(shù)，獲得每組實驗已知流體對應的參數(shù)，其中所述相關參數(shù)包括流體表面張力σ(k)、流體與通道壁間的平衡接觸角θe(k)、流體動力黏度η(k)；

未知參數(shù)確定單元，用于確定所述a和所述b的值。

流體參數(shù)確定模塊205，用于根據實驗需求，確定所述流體參數(shù)的值，以便根據所述流體參數(shù)對所述納流控系統(tǒng)的流動過程進行控制。

當實驗需求為流體實際輸運速率為理論輸運速率的n％時，所述流體參數(shù)確定模塊205利用公式即確定所述流體參數(shù)的值；

當實驗需求為流體實際擬合斜率aexp＝m時，所述流體參數(shù)確定模塊205根據所述關系模型獲得流體實際擬合斜率aexp與流體參數(shù)的關系根據aexp＝m確定所述流體參數(shù)的值。

所述系統(tǒng)還包括：流體種類確定模塊，用于根據所述流體參數(shù)的值，確定流體的種類，以滿足實驗需求。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統(tǒng)而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。