显微粒子图像测速技术Micro-PIV研究进展

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1、显微粒子图像测速技术Micro-PIV研究进展1)2)申峰,刘赵淼(北京工业大学机械电子与应用工程学院，北京100124)摘要：随着微流动器件(Microfluidicdevices)应用领域更加广泛，包括生命科学、微流控芯片和微加工制造等相关领域，微流体器件内部的流体力学特性成为了重要的研究内容。微尺度下低雷诺数流动中的表面力作用相对增强，流动行为与宏观尺度有很大不同。Micro-PIV是一种整场、瞬态、定量的微尺度速度场测量方法，已达到相当高的分辨率（0.1µm），成为重要的微流动研究手段之一，引起了广泛的研究关注。本文讨论了Micro-PIV技术近年来在基本理论、

2、关键技术等方面的发展状况，并与其它流动显示方法进行了比较，并介绍了在近壁面流动，电渗流，微混合等研究中的应用。关键词：Micro-PIV；微流动；荧光粒子；壁面滑移；流动可视化1引言[1,2]近年来，微流动器件(Microfluidicdevices)应用成为国内外研究的热点，微流动器件结构和功能也越[3,4][5,6]来越复杂，微流动器件内部的流动行为问题成为了研究的重要内容，引起来了广泛关注。已有研究表明，由于流动特征尺度的微小，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

3、前还无法对这些复[7,8][9,10]杂流动现象进行合理的解释。流动可视化技术是微尺度流动研究的重要实验方法。显微粒子图像测速技术(Micro-scaleparticleimagevelocimetry,Micro-PIVorµPIV)是20世纪90年代发展起来的一种微尺度[11]流动测量与显示技术，可以实现无干扰、整场、瞬态、定量的微尺度速度场测量，有效测量的尺度范围[12]为0.1-100µm，目前已达到相当高的分辨率（<1µm），测速范围从每秒数纳米到数米，成为重要的微流[13]动研究手段，受到了研究者的广泛关注。目前，其它的微尺度流场测速技术，如磷光显示测速、光

4、漂白[14][15][16]测速、分子标记测速和拉曼散射技术等，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[17-24]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。但是由于两者[12,25,26]的光路设计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。最早的利用示踪粒[27]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-scaleparticletr

5、acking,PTV)，最初[28][29][30]被应用于生物和医学研究中。利用PTV技术，Taylor等人和Brody等人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1)国家自然科学基金(11002007,11072011)及北京工业大学博士科研启动基金(X0001015201101)资助项目.2)E-mail：shenfeng@bjut.edu.cn1[11]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Santiago等人报道的，他们采用汞弧灯对直径300

6、nm的荧光示踪粒子进行照明，采用CCD相机记录离散的粒子图像，并采用互[31]相关算法进行图像处理，得到流场速度，测量的空间分辨率小于10µm。Meinhart等人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30µm30µm矩形微通道的流场，空间分辨率达到0.9µm。在以后十多年的Micro-PIV相关研究中，这种测速技术被广泛采用，并进行了许多开拓性研究，如三维微尺度流场测量、近壁面测量(<100nm)等，但是这些精密测速技术需要较强的实验操作经验。这种最先采用的测速技术成为了一种标准的微流场测速方法，也称作经典[1

7、2]Micro-PIV。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[12,25,26,32-37]不断增长，2010年数量达到1200篇，如图1所示。目前，Micro-PIV技术已有多篇综述报道及[7,8,17,38]图书介绍。本文首先介绍了Micro-PIV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，目的是为了使上述综述内容更加丰富，让研究者更快的了解到最新的研究进展。图1每年文章发表情况（截止到2011.5）2Micro-P