基于磁场驱动的超顺磁性粒子微流传输建模与控制
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TP273 TH79

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国家自然科学基金(51807079)、江苏省自然科学基金(BK20200623)、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(GDZB-138)资助


Modeling and control of superparamagnetic particle microfluidic transport magnetic based on field driving
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    摘要:

    在微流控系统中,利用超顺磁性粒子实现对目标物的捕获、分离和检测在生物分析领域具有广泛的应用前景。 然而,粒 子快速、准确的自动化传输是片上生物分析面临的重大挑战。 为了解决上述问题,本文研究了粒子在微流控系统中的建模与运 动控制。 首先,设计了一种带有锥形尖端铁芯的电磁线圈,并推导了电磁线圈的磁场分布的模型;然后,建立了微流控芯片内粒 子的动力学模型,采用高增益扩张状态观测器来估计和抑制模型参数的不确定性和环境干扰,并建立了闭环运动控制系统;最 后,通过实验进行验证。 实验表明,本文提出的模型和控制方法可实现微流通道中超顺磁性粒子在不同环境中的识别、跟踪和 运动控制,运动的平均误差最大为 3. 37 μm,均方根误差最大为 4. 29 μm。

    Abstract:

    In the microfluidic system, the utilization of superparamagnetic particles to achieve the capture, separation and detection of targets has broad application prospect in the field of biological analysis. However, the rapid and accurate automatic transmission of particles is a major challenge for the on-chip biological analysis. To solve this problem, this paper studies the modeling and motion control of particles in the microfluidic system. First, an electromagnetic coil with a tapered tip iron core is designed, and a model of the magnetic field distribution of the electromagnetic coil is formulated. Then, a dynamic model of the particles in the microfluidic chip is established, which uses a high-gain extended state observer. To estimate and suppress the uncertainty of model parameters and environmental interference, a closed-loop motion control system is designed. Finally, it is evaluated through experiments. Experimental results show that the model and control method proposed in this paper can realize the identification, tracking and motion control of superparamagnetic particles in microfluidic channels in different environments. The maximum average error of motion is 3. 37 μm, and the maximum root mean square error is 4. 29 μm.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

樊启高,唐袁袁,黄文涛,赵正青,张鹏松.基于磁场驱动的超顺磁性粒子微流传输建模与控制[J].仪器仪表学报,2021,(8):193-201

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  • 在线发布日期: 2023-06-28
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