显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述

第48卷第4期 2012年2月 机械工程学报 JOURNALOFMECHANICALENGINEERING v01．48No．4 Feb． 2012 DoI：10．3901删E．2012．04．155 显微粒子图像测速技术 微流场可视化测速 技术及应用综述木 申 峰 刘赵淼 (北京工业大学机械-T程与应用电子技术学院北京100124) 摘要：目前，随着微流动器件的应用领域更加广泛，包括化学、生命科学、芯片实验室及微加工制造(MicroelecnDmech锄ical systcms，MEMS)等相关领域，流体在微流动器件内部的流动行为成为重要的研究。微尺度、低雷诺数流动的表面力作 用相对增强，微尺度流动行为与宏观尺度有显著不同，目前许多复杂的微尺度流动现象还无法给出合理的解释。显微粒子图 像测速技术(Mi盯o．scalepanicleiI彻gevelocirneny，Micm．PⅣ)是一种整场、瞬态、定量的微流场可视化技术，目前已达到相 当高的分辨率(O．1¨m)，成为一种重要的微流动研究手段，引起广泛的研究关注。综述Micr0．PⅣ技术在基本理论、关键技 术、三维测速等方面的最新研究进展，并重点介绍Micm．PIv技术在近壁面流动、电渗流、微混合、生物流体、微液滴与气 泡等研究中的应用进展，最后对此项技术的发展做展望。 关键词：显微粒子图像测速技术微流动荧光粒子壁面滑移流动可视化 中图分类号：THl37TH39 ReViewontheMicro—particleImageVelOcimetryTechniqueand Applications SHENFengLIUZhaomiao (CollegeofMechanicalEngine嘶ngandAppliedElec仃onicsTecllIlolo鼢 BeijingUniVers时ofTechnolo戥Beijing100124) Abst豫ct：R．ccently’嬲Inicrofluidicdeviceshavebc∞丽dely璐cdinthecheIIlis仃y'lifc∞i舶ce，lab帕n-a-cllip，lllicroelec缸D mechaIlicalsystt朋s(MEMS)柚d∞∞，tllechamctel切tionofnuidbehavioratthe∞alesofIIlicro柚dn锄ome白erlevelsisess印tial． Becauseofthesmllscales釉dlowReynolds瑚mlbers，sⅧ彘lcef．orcesbec咄impor叫rclatively．Theflowbeha、riorinInicro—scale issi印ific柚tlydi丘毫n锄tf．romthatinm扯ro．scale柚dm柚ycomplexph∞omenaa托notcle札Micro-scalepanicleiImgc velociIIl哪isakindof如llfield，inst姐taneousandqu枷喇vemethodthatc粕beusedt0chmcterizetheperf0肌柚ceofsllch micmnuidicsyst啪谢thspatialresolutionsbenerm锄o∞nlic啪．Ithasbe蚰锄iml蝴tme船ur锄emtecbniquc缸dbc∞谢dcly 咖died．Inthisanicle，therec即tdevelopm∞tofMicr0-PⅣincllldingthemndamentalsmet∞hnique锄dthetheoreticalback伊ouIld isreviewed．Anoverviewofthemostrelevantapplic鲥。璐is舀venonmetopicsofnear-wallnow，el∞臼ol【ineticflow’m奴in舀 bioIogicalapplication，bubblenowandsoon'锄ditsprogressisforecasted． Key啪r凼：Micro螂alepa疵kimageveloc砥姆(Mic玲PIv)Micro姗dicnu呲删p硎cle鼬眦laDrsnpFlow、，isIlal础∞ O前言 近年来，微流动器件应用成为国内外研究的热 点【1．2】，微流动器件结构和功能也越来越复杂，微流 ·国家自然科学基金(11002007，l1072011)及北京T业大学博士科研启动 基金(x000lOl5201101)资助项目。20l108ll收到初稿．20l11216收到 修改稿 动器件内部的流动特性成为了研究的重要内容【3训， 引起来了广泛关注15剖。已有研究表明，由于流动特 征尺度微小，流体分子间作用力、静电力等表面力 效应相对增强，同时流动还受到微流体器件构型、 壁面粗糙度和浸润性等因素影响，微尺度流动行为 表现得非常复杂，目前还无法对这些复杂流动现象 进行合理的解释【7{】。流动可视化技术是微尺度流动 研究的重要试验恤10J。显微粒子图像测速技术 万方数据 156 ， 机械工程学报 第48卷第4期 (Micro-scaleparticleimageVelocimet】％Micro—PIV) 是20世纪90年代发展起来的一种微尺度流动测量 与显示技术【111，可以实现无干扰、整场、瞬态和定 量的微尺度速度场测量，有效测量的尺度范围为 O．1～100¨m【12J，目前已达到相当高的分辨率(小于 l“m)，测速范围从每秒数纳米到数米，成为重要的 微流动研究手段，受到了研究者的广泛关注。目前， 其他的微尺度流场测速技术，如磷光显示测速【l3I、 光漂白测速[14】、分子标记测速[15】和拉曼散射技术[16】 等，只能获得定性研究结果，也被称作流动定性可 视化研究，其分辨率和测量精度都无法和 Micro—PⅣ相比。 Micro—PⅣ是在PⅣ技术基础上发展起来的， 两者基本原理相同，都是通过观测流场中散布的示 踪粒子，获得两副或多幅粒子图像，并对这些粒子 图像进行空间相关性分析得到流场速度【17之4|。但是 由于两者的光路及组成部件有重大不同，一般 认为这是两种相互独立流场测速技术【l2，25’26|。最早 利用示踪粒子进行微流动可视化研究的技术也被称 作微尺度粒子跟踪技术(Micro—scalepanicle仃acking， PTv)[2丌，最初被应用于生物和医学研究中【28】。利用 PTV技术，TAYLOR等【刀。oJ使用超荧光显微镜对直 径900nm的荧光示踪粒子进行长时间照明观测，获 得粒子运动轨迹图像。这种方法获得的速度场具有 不准确性，分辨率和测量精度较低。目前普遍适用 的Micro．PⅣ技术最早是1998年由SANTnGo【儿1 报道的，他采用汞弧灯对直径300IlIIl的荧光示踪 粒子进行照明，采用电荷耦合器件(Chargecoupled device，CCD)相机记录离散的粒子图像，并采用互相 关算法进行图像处理，得到流场速度，测量的窄间分 辨率小于10um。MEINHART【3lJ采用了相同的测速方 法，使用脉冲Nd：YAG激光器对直径200nm的荧 光示踪粒子进行照明，测量了30¨m×30¨m矩形微通 道内的流场，空间分辨率达到0．9um。在以后十多年 的相关研究中，Micr_o-PⅣ技术被广泛采用，并进行 了许多开拓性研究，如三维微流场测量、近壁面测 量(小于100砌)[”书】等，但是这些精密测速技术需 要较强的试验操作经验。这种最先采用的测速技术 成为了一种的微流场测速方法，也称作经典 Micr0一PⅣ【12J。近年来，有关Micro—PIV技术及微流 体相关研究已经成为研究热点，每年发表的文章数 量在不断增长，2010年数量超过l200篇，如图l 所示。目前，Micro．PIV技术已有多篇综述报道112’ 25—26，32-371及图书介绍【7·8，17，381。 本文首先介绍了Micro．PIV系统中关键技术及 近几年来的最新研究进展，然后对几个重要应用领 域研究现状进行了介绍，最后对这些内容进行了总 结和展望，目的是为使上述综述内容更加丰富，让 研究者更快了解到最新的研究进展。 1 200 乏 1 000 籁 800 萑 鲫 蓝 400婶 200训 n O 20042005200620072008200920102011 年份 图1 每年文章发表情况(截止到2011．5) 1 Micro．PIV测速原理 Micro—PIV作为一种光学测速技术，一般借助 显微镜系统和计算机数字图像处理技术实现。显微 物镜是图像获取中的重要光学部件，它具有聚焦激 光和同时收集荧光信号的作用，所以只需要在微流 动器件上有一个光学观测窗口即可。经典 Micro．PⅣ可以实现平面二维速度测量，其测量的 视场范围由显微镜的物镜放大倍数决定，最小放大 倍数为5倍的物镜，视场范围为1衄×1lnIll，最大 放大倍数为100倍的物镜，视场为50pm×50肛m。 目前，其空间分辨率可以达到1LLm量级，通过提 高物镜的数值孔径和放大倍数(如100倍油浸物镜)， 甚至可以达到100nm【25】。 Micro．PⅣ粒子图像测速原理如下：在待观测 流体中散布(或流体中已存在)跟随性良好的固体粒 子、液体或气泡，作为示踪粒子，对示踪粒子进行 激光照明，由CCD相机记录连续两次曝光时间间 隔(缸)的两幅粒子图像，将这两幅带有时间信息的 粒子图像一起存储到计算机，通过计算机图像相 关处理技术获得位移(厶)，进而获得全场的速度矢 量【12’25'331。应该指出，由于拍摄时可能将三维粒子 位移投射到二维平面，只能实现二维速度测量 1，=厶／出 (1) 但由于微器件特征尺度十分微小，对其内部流 动进行测量提出了许多新的挑战。因此，与传统PIV 相比，Micro—PⅣ在粒子图像获取方法、示踪粒子 和图像处理三方面存在较大差别【l21，下面将对这三 方面差别及关键技术的最新研究进展进行介绍。 2关键技术的最新研究进展 2．1图像获取方法 2．1．1 Micro—PⅣ基本组成 目前，一般将特征尺度在O．1～100“m的流动 万方数据 2012年2月 申 峰等：显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述 称为微流动【l⋯，由于采用的示踪粒子直径一般在 50～900m，荧光信号十分微弱．传统PⅣ中的 CcD相机无法直接获取如此小尺度的粒子图像，因 此，必须采用显微观测技术才能够实现。 传统的Micro．PIv测速技术是借助例置显微镜 实现的，整个系统基本组成及原理如图2所示，主 要包括连续或脉冲激光器、cCD相机、同步控制器、 倒置显微镜及微流动器件等组成。其工作原理如下： 入射激光(532nm)通过窄带滤光片并被二向色分光 镜反射，然后经物镜聚焦，对待测微流动器件内部 流场照明，激发散布在微流场中的示踪粒子发出荧 光，该荧光由同一个物镜收集后，通过二向色分光 镜、截止滤光片、聚光镜，最后进入ccD相机成 像，获取的粒子图像再由计算机进行图像处理，获 得速度矢量场。Micr0．PⅣ系统实物图如图3所示， 系统中增加了三维电动调节系统，工作台位置可以 实现微米级调节。 霉≯_ §?憔一6ij—卜； I 醺_ ! 哪．、～ 7if鼍亡宅户聂森#一i}：裂 ¨出挖刮器 ．1一 敲光瑾故光 一向色静光镜 荧先进光片 聚焦j盎链 荧光 图3 Micr0．PIv实物图(北京工业大学流体力学实验室) 激光器与传统PⅣ相同，都是使用PIv专用的 双脉冲倍频Nd：YAG激光器(532IlIn)，它的脉冲时 间为几十纳秒，脉冲间隔十几纳秒到几秒，但是使 用时功率要小很多，单次脉冲能量低于10InJ，这 种激光器性能稳定，光束质量优越，且易于导入显 微镜光路的优点。另一种替代光源是二极管泵浦激 光器如Nd：YLF，它具有更长的脉冲激发时间，采 用荧光粒子时，可以产生更强的荧光信号。目前使 用的高功率LED光源，需要较长的脉冲激发时间， 只适合测量低速流动。 为获得较高质量的粒子图像，需要高灵敏度(量 子效率高)的ccD相机，一般采用大像素行间转移 面阵ccD相机，具有空间动态范围宽，两帧图像 时间间隔短(200ns之内)的优点。如果荧光信号太 弱，可使用加强型ccD，但是会使得图像质量变差。 采用双快门相机可以将拍摄间隔缩短到l“s，适用 于高放大倍数下的高速流动测量。 Micm．PⅣ一般使用荧光示踪粒子，拍摄荧光 粒子图像。荧光示踪粒子由单色激光(532IlnI)激发， 发出波长更长的荧光。由于微通道壁面及内部反射 和散射的激光信号比激发产生的荧光信号强，必须 在ccD与物镜之间增加截止滤光片(低于570nm)， 有效地阻止激光，极大地减小了背景噪声十扰，提高 了图像信噪比。微流动器件一般放置在显微镜工作台 上，而且要求至少一侧是透光性良好的材料，如石英 玻璃、聚二甲基硅氧烷(Pobdilllethylsiloxane，PDMs) 等都是制作微通道的常用材料。同时，观测壁面的 厚度也受到显微镜物镜工作距离的限制。 根据不同微流动观测实验的需要，测速系统的 组成也会有所不同和变化，目前Micm．PⅣ技术已 经此基础上做了许多拓展。目前，传统配置的 Micor-PⅣ已商品化，如丹麦的D蛆tecD”amics公 司，美国的TsI公司和德国的LavisioⅡ公司。 21．2体照明 在传统PⅣ流场测量中，采用片光照明方式确 定待测平面位置，而Micro．PIv采用的是体照明方 式，也有报道采用采用隐失波照明”⋯)。由于激光片 光最小厚度(0．5IIlnl)很可能超出微流动区域截面尺 度，因此，在Micro-PIv中无法使用片光方式定位 待观测流场平面，而是通过调节物镜焦平面位置来 定位待观测平面。体照明中，观测到的流体厚度由 物镜景深决定，它对获得的粒子图像效果有重要影 响。只有在观测平面内的粒子才能对获得的粒子图 像和互相关处理结果有影响，因此也称为互相关深 度(D印tllofcon℃lation，Doc)。OLsEN等04u1和 BOURDON等【4”报道的互相关深度公式‰一zI学【等+訾)1 (2) 万方数据 158 机械工程学报 第48卷第4期 式中，d。为粒子直径，五为激光波长，M为放大倍 数，‰为物镜浸润液体的折射率，d为量纲一的数 值孔径。占为权重极限值，一般设置为0．01。从式 (2)中可以发现，数值孔径d和粒子直径d。对‰c值 影响较大，放大倍数M影响较小，与试验结果比较 符合，测量厚度与物镜参数及粒子直径关系如下表 所示【12】。 表不同参数下测量厚度的试验结果 2．1．3隐失波照明 采用隐失波对微通道照明是一种新的流场照 明技术，最早是由zETTNER等【39】报道的。当光从 较高折射率的介质进入剑较低折射率的介质(如从 玻璃进入液体)，且入射角大于临界角时，光线全部 被界面反射，发生全内反射现象。实际中由于光的 波动效应，一部分光的能量会穿过界面到达液体中， 沿界面传播，这部分光就是所谓的隐失波，厚度一 般为100～200nm，远小于物镜观测厚度，如图4 所示142J。这种照明方式可以只照亮壁面附近的粒 子，大大减小了观测平面厚度【39’43埘】，也被称为纳 米PⅣ。采用这种方法，zETTNER掣”l和LI等【44J 分另0对40¨m×40um×O．38“m和154¨m×24“m× 0。2¨m体积流场进行了测量。由于隐失波强度随距 离界面长度的增加而旱现指数衰减，使得照明厚度 不一致，对测量精度有很大影响。同时，由于近壁 面粒子数目相对较少，且粒子在近壁面受到布朗运 动、电场力和粘附现象的影响，为提高测量精度， 图像处理时需要采用较大的积分窗口【43狮】。但是， 当需要研究近肇面流动特性时(如壁面滑移问)， 这种照明方式较体照明更加合适。 激茎茎邂微通道 盖辱 ‘：显微物镜 【a) (b) 图4隐失波照明Micm．PⅣ 2．2示踪粒子 Micro—PIV作为一种光学测速技术，要求待测 流体介质必须是透明的，并在其中散布跟随性良好 的荧光示踪粒子。Micro．PIV采用的示踪粒子比传 统PⅣ要求更加严格，示踪粒子多使用荧光标记的 聚苯乙烯小球ll引，直径一般200nm～2um，根据观 测视场大小合理选择，一般示踪粒子直径越小跟随 性越好。当直径小于lum时，由于布朗运动的影 响将引起测量速度产生一定误差，图像处理时可采 用互相关平均算法减小布朗运动引起的误差。 当研究纳米尺度流动时，POUYA等【46】采用量 子点作为～种新的示踪粒子。与荧光示踪粒子相比， 量子点具有许多优点，首先其直径非常小，一般2～ 25姗，且不会发生光漂白现象，并多种发射波长 可以选择使用，还可以通过表面处理控制其在不同 溶液中的可溶性【4M81。但是采用量子点作为示踪粒 子有三个缺点，即量子点自身具有闪光性，布朗运 动明显和荧光信号弱。Fl迎UDENTHAL等【49】报道 了将多个量子点固定在直径70蛳的粒子表面作为 示踪粒子，可以有效克服量子点闪光性的影响，并 增加了信号强度。 无论选择哪种示踪粒子，都要根据观测微通道 的特征尺度对粒子直径进行优化选择，使其跟随性 好，对流场干扰尽量小，不能堵塞微通道f501。同时， 粒子直径不能太小，要保证其荧光信号足够强，能 在CCD相机上成像，并且有效减小布朗运动影响。 SANTIAGO等I¨】分析了布朗运动引起的随机热噪 声对测速结果带来的误差 ％：筚：丢詹 ㈣ 式中，(s2)为粒子扩散的均方距离，△]c=“&为粒 子在&时间间隔内的位移，“为当地流速。根据 Stokes．Einstein方程，球形粒子的扩散系数 D：兰 (4)3掣d。 一 式中，七。为Boltzm砌常数，丁为流体热力学温度， ∥为流体动力粘性系数，d。为粒子直径。根据式 (3)、(4)，可以指导一定速度下如何选择最小时间间 隔△f和粒子直径d。，才能减小考虑布朗运动误差。 当粒子直径50～500砌，流速低于l删=11／s时，要 考虑布朗运动引起的误差。可以通过增加曝光时间 减小布朗运动误差。在低速流动时，也可以通过对 判读区中每个粒子的速度取平均后，再对多次结果 进行系综平均，这样布朗运动带来的误差变为了 占=s。／√Ⅳ，Ⅳ为粒子总数，Ⅳ值越大，误差越小。 2．3图像处理方法 与传统PⅣ采用的互相关图像处理技术不同， 万方数据 2012年2月 申 峰等：显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述 微流动示踪粒子图像处理时需要克服新的难题，如 布朗运动影响、粒子浓度低、图像质量差等。由于 微流动的特征尺度较小(0．1～100pm)，流动雷诺数 一般较小(几十或更小)，流动一般近似为稳定流动 或周期性流动，所以可以采用系综平均方法或称为 相关平均方法p”。此方法首先在每个测量点处对相 关函数进行系综平均，再寻找相关峰值，用平均的 相关函数计算速度矢量H“”J。这种方法增加了影响 平均相关函数的粒子数目，提高了处理结果的准确 性．粒子对数目对相关平均处理峰值的影响如图5 所示mJ。一般试验条件下，采用判读区为“像素x “像素时，粒子对数目至少为50，即可保证结果 lOO％的可信度””。粒子浓度较低或图像噪声较高时 数目还需要增加。相关平均方法还可以提高 Micro．PⅣ的空问分辨率削。获得垂直焦平面方向的 多层二维速度场后，可以进行三维速度场重建1．“。其 他如图像重叠技术、背景噪声消除技术也是 Micro．PⅣ常常用到图像处理技术，许多文献对 Micro．PIv图像处理方法进行了详细介绍【I‘⋯，近 年来这方面的研究进展相对较少。 ．曲峨妒4岭篮心 t町粒r砧鼓为j 恸越于刈数为I’ ～q舡r砧教为。 图5粒子数对相关平均函数峰值的影响 3 Micro．PⅣ测速技术进展 Micr0．PⅣ技术最初研究的主要是二维流动情 况，在测速技术上已经发展得比较成熟，其应用领 域还在不断扩展。随着Micm—PⅣ技术自身的发展， 为了克服传统Micro—PⅣ只能测量定常或周期流动 二维速度场的局限性，许多新的全流场测速技术成 为Micfo．PⅣ技术研究的重点。 3．1 2D平面测量 文献报道Micro-PIv二维平面测速的空间分辨 率已经可以达到100nm【“J。虽然二维平面微流场测 速技术已经比较成熟，但是由于微尺度下影响因素 的不确定性及无法量化控制影响因素等原因，针对 具体问题的测速试验，还是要求丰富的微流动试验 操作经验。目前，Micro-PⅣ技术应用领域的扩展成 为研究的主要内容，包括矩形截面微通道测速p““J、 粘附细胞周围流场测速p”、喷墨打印机喷头内瞬态 流场测量【删、超声速微喷管测速【6”、微通道混合陋】、 微流动传热【63l、微流控芯片、电渗流测速o”“J、血 流动力学p”以及生物流体力学I饷1等。 3．2微流场全场测量 在二维平面测速基础上，Micm．PⅣ微流场全 场流动测量可以通过以下几种方法实现：多二维平 面扫描、数字全息技术、立体Micro-PⅣ、敖焦数 字图像测速和共聚焦荧光显微镜技术。 对于定常或周期性流动，全流场信息可以通过 移动显微物镜实现对多个二维流场的扫描获得。 POM眦R刚测量了2=1．8岬1：：-2．6llm，z-3．5岫 和z=4．4“m不同平面内的粘附细胞周围的二维速 度矢量场，并与数值模拟结果基本吻合(误差3％)。 中国科学院力学研究所李战华课题组采用PI纳米 位移系统对物镜垂直位置进行调节，通过物镜焦平 面的移动(1¨m级)，实现不同平面的矩形微通道测 速⋯J。与焦平面垂直方向(z1的速度分量可以通过 对不可压缩连续性方程积分获得Il2】 ra。 A，、 w=l豢+詈l惦一毛)+，∽力(5) L甜砂／ 式中，，(J，y)为任意积分函数，可以根据边界条件 来确定，如z=O时，1．卸。 数字全息技术在微流动研究中的应用最早是 由YANGml开始采用的，他采用感光树脂底片记录 后台阶流动的三维粒子图像。sArEKE等16”报道了 一种全息粒子图像跟踪方法，通过跟踪直径 92 pm微细管中每个l“m直径的示踪粒子进行三维图 形重建，获得了104个不同位置的三维速度矢量， 其试验测速系统如图6所示。ⅪM等””对这种技术 进行了深入研究。这种方法需要采用较大景深的物 镜，并且对每个粒子单独跟踪，缺点是粒子浓度相 对较低，获得的速度矢量有限。为了增加图像中的 粒子浓度，s胍NGl7”测量了体积厚度为l～10mm， 直径为0．75¨m和3．2¨m粒子图像，观测到的粒子 数目约为l000个。DILEONARDO等【”J结合多个 光阱技术，通过光阱控制粒子探测不同位置的三维 速度矢量。 传统立体PⅣ技术可以采用两个ccD相机拍 摄一个片光平面内的粒子图像实现三维测速17⋯，但 是立体Micro—PIV技术更加复杂。由于在立体 Micro．PⅣ是通过显微物镜成像的，要获得较高的 空间分辨率就需要采用较大数值孔径的物镜，而较 大数值孔径的物镜的光束与光轴的倾角较小，影响 了垂直速度测量的精确度。采用较小数值孔径 (脚．14，d=o．28)的物镜，LNDⅪ玳等I州首次报道 了采用立体Micro_PⅣ技术对T型微混合通道的三 维流场测量，测量区域为800¨m×200¨m．雷诺数 为120，空间分辨率为44pm×44肛m×15岬，连续 测量平面的间距为22岬，其系统结构图如图7所 示。立体Micro-PⅣ不但结构复杂，而且为了增加 万方数据 机挂工程学报 第48卷第4期 藤 ■—卜少 W：YLr澈光器 微流羟芯J} 量严蕊咽 ■—k 儒r丽 图7立体Mic”PⅣ系统结构示意图 纵向测量深度，多采用较小数值孔径的物镜，限制 了测量精度，同时测量精度还受到两幅图像重合区 域面积的影响。B0uRDON等【4”将计算机数值模拟 结果和立体Micro．PⅣ试验结果相比较，研究了微米 级后台阶流动行为，试验空间分辨率达到10¨m× 10¨m×10pm。 与立体Micro．PⅣ复杂的光路结构相比，散焦 数字图像测速(DenⅪJsingdi西诅lpanicalimage velocinle廿y，DDPⅣ)技术光路相对简单。Y()oN等uM 采用DDPⅣ对微米级后台阶流动进行测量，对2000 个体积矢量进行平均处理，分辨率达到5岬l×5¨m× 1pm。PEREIRA川采用直径2pm的示踪粒子对体 积400“m×300“m×150Hm的液滴蒸发时的内部流 动进行三维测量，对单个粒子空间轨迹进行三维重 建，再现了蒸发过程中液滴内部的复杂流动过程。 PARK等⋯1采用单一光圈成像系统，对直径500llm 荧光粒子流过球形障碍物的粒子图像进行了观测。 Micm—PⅣ与共聚焦荧光显微镜技术相结合， 同时照明并记录同一位置的粒子，获得共聚焦粒子 图像。由于共聚焦显微镜观测的平面厚度更加薄， 只有观测平面上的粒子才能成像，有效地滤除了背 景噪声，提高了信噪比。这种技术晟早是由蹦RK 等口”报道的，他们利用荧光共聚焦扫描显微镜，对 内径100¨m的圆管内流动进行测量，并对常规荧 光显微镜图像和共聚焦图像进行了比较，如图8、9 所示。试验中采用了直径200m的荧光示踪粒子， 物镜放大倍数为40倍，可以明显看出共聚焦图像背 景噪声更低，信噪比高，图像质量更高。但是利用 常规荧光显微镜，采用较大放大倍数和数值孔径物 镜(朋；60，扛l4)，也可以明显提高信噪比和图像质 量。同时，由于共聚焦成像时每次只能获得一点的 粒子图像，获得二维平面图像需要对平面各点进行 扫描，这就限制了共聚焦图像技术只适合较低流速 的测量。而且共聚焦显微镜系统一般包括Ni口kow盘 等复杂部件，使得光路十分复杂，硬件设备昂贵。 共聚焦图像的主要优点是可以提高垂直焦平面方向 的空间分辨率。由于共聚焦显微镜技术在生物研究 广泛应用，结合Micr0一PⅣ技术，共聚焦图像测速技 术在微流动诊断【7⋯，血液流动”⋯等领域有重要应用。 ：项色讣光 带遁滤光} o▲。。洲机 图8 商速荧光其聚焦扫描砬微镜 (a)荧光显微镜(”共聚焦显微镜 图9两种不同显微镜图像 4应用领域研究进展 Micr0-PIV在微流体器件研究中得到了广泛的 应用，大体可以分为两方面：微流体基础物理特性 研究，包括近壁面流动特性、电渗流等：微流体控 耄!擀＼．皇 乞一 ≮．、． 馘 一 ●■盈：=====]∥Z岁|确削燮一●●t¨m≮≤生 万方数据 20J2年2月 申峰等：显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述 16l 制技术，包括微流体器件优化及多领域应用研究。 4．1近壁面流动 微尺度下，面积与体积比值增大，流动呈现出 许多与宏观尺度不同的流动特性，微流体在近壁面 区域或固液界面处的流动行为对微尺度流动特性产 生重要影响，成为微流动物理特性研究重要内容¨“。 液体近壁面滑移机理一直是研究的热点【8l“】。 Micm．PⅣ是研究这一问题的有效手段，但是还需 要克服许多技术难题。在近壁面区域，流场速度梯 度大，流动切应力大，示踪粒子易发生迁移，致使 Micfo-PⅣ的测量精度下降。长时间试验观测时， 由于粒子容易粘附在壁面上，当对近壁面速度进行 观测时的可视化效果降低。 Micro．PⅣ是进行壁面形貌及近壁面流动特性 研究的非接触的定量测量手段。sToNE瞰l采用2D Micro-PⅣ对垂直壁面的形貌进行测量，空间分辨 率达到几十纳米。基于无滑移假设，ROSSI等断1 采用多2D平面测量方法，将测量的空间速度场进 行外推，对内皮细胞壁形貌进行了重建。 n也nⅢW^=y等¨“删采用Micm-PⅣ对疏水表面微 通道的表观滑移进行了研究，并根据试验数据对滑 移机理进行了理论分析。JosEPH等【s91也采用对二 维平面测量方法，多对不同玻璃表面的滑移长度进 行了研究。李战华课题组利用自行研制的 Mic0-PIv，Pn，，对光滑亲水玻璃和疏水PDMS微通 道近壁面(250nm～1．5¨m)速度进行了研究，得到 的经过修正的滑移长度分别为10m和70nIn即J。 将隐失波照明和Micm．PⅣ相结合的微流动近 壁面速度测量技术或称为纳米PⅣ(nPIv)技术也有 报道【8l，⋯”。HuANG等阮”1采用隐失波对近壁面 流场中示踪粒子进行照明，只有玻璃近表面距离 (100～200咖)的荧光粒子被照明，获得的微通道中 去离子水近壁面滑移长度为96nm，如图lO所示。 GAI等p”采用^DNA分子作为示踪粒子，通过隐失 波照明和激光照明的转换，可以同时测量近壁面和 中问区域流场。sADR等m1利用nPIv技术对电渗 流近壁面流动进行了研究。GuAslD等m1报道了运 用隐失波和示踪粒子技术的近壁面温度场测量方 法。肇而滑端问顾尸J右名笛文献报道【81．83。Ⅷ． 荧光粒子溶荫 影响壁面滑移的因素十分复杂，主要包括表面 亲疏水性、纳米气层、流体剪切率、表面双电层、 近壁面粘度改变和流体分子特性等。至今，对滑移 长度及其影响因素仍没有一致的结论f67】，但是随着 测量技术的进步，测速结果的更加精确，发现滑移 长度越来越小，获得准确的测量结果还需要进一步 的试验验证，这对Micro-PⅣ近壁面测速技术提出 了严峻的挑战，需要Micro．PⅣ技术的不断改进。 4．2电渗流 动电现象被广泛应用于微流体器件操作中p】， 如使用电渗流控制微流体运动【6+“，”，电泳分离粒 子或分子等p”。目前，Micfo-PⅣ是研究微器件内 部动电流动的有效手段，得到了广泛应用，主要用 于揭示电动流动的物理现象的本质或分析微流体器 件的性能。由于粒子容易受到电泳和介电泳作用而 发生迁移，当研究粒子实际运动时，可以通过 Micro-PⅣ直接观测即可。当不需要很高的测量精 度和分辨率时，可以采用染料进行流动可视化观测， 或采用分子标记测速方法(Mol妇娜蛳g veloc抽e扛y'hfrW⋯。采用MiⅢ卜PⅣ对流体测速时，必须提前进行系统标定。DEⅥ蝎EN衄卸畔删叫 对粒子表面和微通道壁面的Zcta电动势分别进行 了测量，并在此基础上推导了真实的流体流动速度。 1沮N等p”报道了对粒子和微通道的zeta电动势进 行同时测量的方法。BOwN等F1采用两种颜色示踪 方法，对直流电驱动的DNA溶液流速进行了测量。 但是，由于粒子受到电场作用，当研究微流体实际 运动时，为保证测量结果的准确性，还需要测量粒 子相对溶液流体的速度，需要使用Micro．PⅣ测量 粒子速度，并结合MTv方法测量流体速度。 Micro．PⅣ还可以研究与动电现象有关的其他 问题，如动电流动产生的内部压力梯度特性【9”，焦 耳热对电渗流速度的影响酬，电渗流驱动的微通道 混合特性【”，2“，电渗流流场中的微小涡胞结构‘1叫， 电场力控制的液滴流动Il“J等。采用MicnPⅣ， wN等ll”1分析了液池模型对矩形微通道电渗流的 影响，STUDERI””对直流电动泵的驱动性能进行了 分析优化。 4．3徽混合 微流体器件混合是许多技术应用领域中的基 本过程，如磁流体力学、动电流动不稳定性、化学 反应等。由于微流动多数情况下为层流，不易实现 流动混合，只有在两种液体界面处发生扩散混合。 为此，需要人为地增加混合过程，目前较多采用被 动混合方法，即改变微通道构型来控制流体流动状 态，增加流体混合区域，如交叉通道混合[62】、T形 万方数据 机械工程学报 第48卷第4期 通道混合‘”t“】、弯曲通道混合120，10”、Tel∞阀结构 增加混合【1唧和增加壁面微结构⋯”增方法。 Micro．PIv被应用与测量微混合器件内部流动 过程。BOTTAuscI等‘⋯。109】对微混合器件内部的瞬 态流动和混合效果进行了研究，在主通道雷诺数 R魂．6情况下，对主通道与次通道接口处的流场结 果进行了观测。HOFFMANN等“”1分别采用 Micm．PⅣ和显微激光诱导荧光(¨一LascriIIduce nuorcsc％ce，¨LIF)技术，对胄F160时的T形微混 合通道的浓度场和速度场进行了分析。LⅨDⅪ狲 等【“l发展了基于多二维平面测量的三维重建 (2D．3C)技术，对胄F120时的T形微通道流场进行 了测量，重建的三维速度场如图ll所示。由于微通 道构型一般比较复杂，混合时多为三维流场结构， 三维测速试验操作比较复杂，要求专业试验人员和 更精密的Mic∞．PⅣ设备。 图11 PDMS微通道内部了生理盐水和血液流动行为进行 了研究。利用高速Micm—PⅣ，suGII【l”1通过测量 红细胞和血浆速度，对微循环中的血液流变性进行 了研究。ROsSI等”“1对血液流动对内皮细胞的作 用机理进行了研究，他们通过测量多个平面内的速 度分布，对细胞几何结构进行了重建，并获得了个 平面内单个细胞的壁面切应力，如图12所示。 vE№旺M^}IN等””测量了不同时刻孵化中鸡胚胎 的心脏血流速度，结果如图13所示。 獬；橇 ． 鼍譬2：=． 一{9 n7 0R 0q J O 4．4生物流体 目前，许多微流体和微流控芯片技术开始关注 活体组织内部流动行为，自然界中的生物内部存在 许多微流动行为，如毛细血管流动、生物化学反应 和细胞内部物质输运过程等I⋯J。由于Micm．PIv是 一种非接触测量技术，不会干扰活体组织正常工作 状态，成为活体组织内部流动研究的有效工具。 suGⅡ等【l”1利用活体显微镜和高速摄像机，对小鼠 肠系膜细动脉中的红细胞流动速度进行了测量。 JEONG等【“31研究了血液流过肠系膜毛细管时的脂 质体的流动。同时，活体Micro．PⅣ技术还被用来 研究蛋黄胚胎内部流动陋⋯】、心血管缺陷㈣⋯61等。 此外，Micr0．PⅣ也是微流体器件和微流体芯 片上进行活体研究的重要手段⋯7⋯”。ⅪM㈣J研制 了一种微流体器件进行细胞培养试验，用 Micm—PⅣ对不同流速下的培养效果进行了分析。 woNG等”刈测量的DNA分子变形时微流体器件 内部的速度场。利用侧面观测的Micr0．PⅣ系统， LEYTDN—MANGE【“”对内皮表面细胞外的流动进 行了定量分析。LIMA【122】利用共聚焦显微镜对 融表嘶形筑承建及切应山分南 皮细胞培养特性 图13鸡胚胎心脏血流速度测量 值得注意的是在进行活体组织内部流动研究 时，要求组织表面具有较好的透光性，需要对待测 组织进行一定的生物及化学处理。同时，在微流动 器件上观测的活体流动行为，与生物体真实流体行 为存在一定的区别，但仍具有一定参考价值。 4．5液滴与气泡 微通道内运动液滴或气泡与不相容的溶液形 成两相流在微流体器件或微流控芯片中有许多应 用【12””。虽然宏观尺度下的液液或气液两相流已 经得到了深入的研究，但是微尺度下两相流特性， 特别是表面浸润性、毛细管数等因素对液滴或气泡 稳定性及可控制性的影响，还需要更深入研究，并 将为微流体化学反应、微尺度扩散、多相分离及数 字式微流控芯片设计，提供优化指导。 Micro．PIv测量微液滴内部的流动行为要求更 复杂的试验技术。首先，由于液滴运动时前后端存 在弯曲界面，必须保证外部液体与液滴的折射率一 致，才能防止视场光线扭曲。其次，必须精心选择 j- 1置 M 蠢∽鞋t 一 ㈣～懿豫母。 靠m√一曩_ 万方数据 2叭2年2月 申 峰等：显微粒了囤像测速技术——微流场可视化测速技术及应Ⅲ综述 示踪粒子，保证粒子在液滴和外部液体内散布均匀， 并具有较好溶解性。并防止粒子在两种液体界面处 聚集或结块。 KINOsHITA等【1283采用共聚焦Micm．PIv．研 究了数字式微流控芯片内硅油中的水滴或甘油滴内 部的流动行为，如图14所示，为距离壁面12～50um 平面的速度场，芯片上的PDMs微通道截面尺寸为 100¨m×58pm，通过多个平面扫描获得速度场后， 利用连续性方程得到了垂直平面方向的速度，最后获 得了液滴3D速度场，空间分辨率为9．1pⅡ1)(9．1pm× 2um。采用相似的方法，sARRAzIN等””J对不同 矩形截面微通道内液滴内部流动进行了测量分析。 逶避 灏麟 嘲鼢 sTEIJIN【”⋯研究了T形微通道中气泡的生成过 程，对气泡的引入与分裂过程中流场不同高度平面 内的速度进行了测量。wANG【l”1研究了两液滴合并 过程的混合特性，采用Micro—PIv对液滴内部流场 进行测速，同时采用荧光染料可视化方法对浓度进 行测量。ⅪONG等【l”1详细研究了微通道两相流中， 不同粘度液体对气泡分裂过程、气泡长度、产生频 率等的影响。FRANK【l"1采用Micro．PIv对牛顿流 体和非牛顿流体中二氧化碳气泡增大过程中的外部 流场进行了测量。 5结论 目前，Micm—PIv对低雷诺数下的二维平面微 流场测速已经取得了许多成果，并已经达到相当高 的空间分辨率(100nIn)，成为微米尺度流动测量的 常用技术，在微流体器件、生物、化学等许多领域 得到了广泛的应用。但是，由于微尺度影响因素的 不确定性和无法量化控制的特点，Micro．PⅣ微流 动测速研究还缺乏量化标准，试验重现性不高。 Micm．PIv测量精度同时受到示踪粒子、待测流场 和Micm．PIv设备分辨率水平等多种因素影响，试 验还需要具有丰富经验的专业研究人员。虽然 Micm．Plv平面测量的理论和技术已经发展比较成 熟，但是测量体积的深度问题还没有取得统一的结 论【52’1⋯3”。同时，在某些领域的研究对Micm．PIv 技术提出了新的挑战，如近壁面测速研究，特别是 边界滑移问题研究中已经遇到了技术瓶颈。这些难 题的克服将成为Micm．PIv技术发展的推动力。 虽然Micro．PⅣ的未来发展很难预测，但是可 以看到随着照明光源f如激光1性能的不断改进，同 时，ccD和cMos相机灵敏度、采样频率的提高 及读出噪声的降低，图像获取技术的将不断进步。 同时，一些新的Micro．PIv测速方法和技术也在不 断发展，如高速共聚焦激光扫描显微镜技术¨⋯，散 焦技术陋76。7，”⋯、立体显微技术”1·74，“1】及全息摄 影技术㈨7014”。这些新技术使得系统结构更加复 杂，操作难度更大，对试验操作能力要求更高。 全流场测速技术研究成为Micm—PⅣ研究的重 要内容，各种全流场测速技术各有优点，同时使用 时受到1定条件限制。通过调节物镜垂直距离实时 获得多个二维平面速度矢量场，进而可以获得全场 速度。然后，为了获得三维速度分量，可以通过连 续方程积分方法、互相关函数峰值分析方法或者跟 踪粒子三维运动轨迹方法实现。按照目前发展速度， 可以预见未来几年内将实现基于多个■维平面速度 场的三维速度场重建技术【l⋯。 随着微流体器件、微流控芯片及MEMs技术在 生物、化学、医学等方面应用的不断扩展，Micm．PIv 作为一种有效的研究微尺度流动的手段，其应用领 域研究也将越来越广，特别是在化学、医药、生物 流体、微尺度气体流动和生命科学领域研究中发挥 作用。同时Micm．PIv技术也将不断发展，并在目 前研究的难点问题上取得进展，如两相流界面处速 度测量技术，壁面滑移及电渗流测速中粒子精确测 速方法等。 参考文献 【1]ROBERTcRw，ANDREwJ D．Microntlidjcs： Exploiti“gel印han忸in血eroom【J】Na"e，20】0，464： 839-840． 【2】STRoCKAD，DERTINGERSKw．Chaodc舢xerfor microchannels[J】Sciellce，2002，295：647—651 【3】s1DNEHA．EngilleeringnoWsi11smaudevices： 万方数据 164 机械工程学报 第48卷第4期 Microfluidicst0啪rdalab-∞-a-chip明．Annllal脚iew ofFluidMech觚ics，2004，36：38l_411． 【4】BEEBEDJ，MENSINGGA'wALKERGM．Physics andapplicationsofmicrofluidicsinbiology【J】．Annml ‘ ReViewofBiom础calEngineering，2002，4：26l-286． 【5】KUMARCS．Microfluidicdevicesinn柚otcchnology： AppIications[M】．Hoboken：Wilcy，201O． 【6】IⅡRBYBJ．Micr0-柚dn锄oscaIenujdmechaIlics： 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