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专利号: 2018102702399
申请人: 宁波大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2023-08-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法,其特征在于,包括模型通道和控制装置;所述模型通道包括主微通道和支路通道,所述主微通道与支路通道的一端连接固定,支路通道的另一端封闭,该主微通道的入口设置微泵控制溶液进入,支路通道为真空状态;所述溶液包括带荧光粒子的NaCl溶液、NaCl溶液和油滴;所述控制装置包括微泵、移动控制芯片和高速相机,微泵、高速相机与移动控制芯片连接,具体移动芯片处理步骤如下:

101)获得支路通道的灰度图步骤:通过高速相机获取支路通道的灰度图,荧光粒子的实际流动速度,该实际流动速度包括荧光粒子扩散电泳速度和流体运动速度两者之和;

102)获得荧光粒子浓度步骤:灰度值正比于荧光粒子浓度值,而获得I(x,z,t)∝n(x,z,t),其中I为像素点的灰度值,n为高速相机拍摄时刻的荧光粒子浓度值,该灰度值、荧光粒子浓度值与x方向即x轴线方向和z方向即高度方向有关,t为时间变量;

103)获取荧光粒子溶液浓度变化步骤:在支路通道中,采用一维的扩散模型来获得荧光粒子溶液在N个基函数的变化叠加组成,其中N为10,具体公式如下:其中c(x,t)为支路通道中的NaCl溶液浓度,an=2(1-cosλn)/λn和λn=(2n+1)π/2,其将溶液浓度变化在时间上和空间上分离,Dc为NaCl双极性溶液的扩散系数,初始条件c(x,0)=ci,其中ci为一常数;边界条件c(0,t)=c0, 在参c0为一已知量,x=L处的边界条件代表终端是封闭的;

104)获得荧光粒子扩散电泳速度步骤:令c(x,z,t)=c(x,t),c(x,z,t)表示为荧光粒子的移动变化,此时c(x,z,t)与z方向无关,即在特定的x方向上,所有z方向的溶液浓度都相等;从而得到荧光粒子在溶液浓度梯度驱动下移动,产生的荧光粒子扩散电泳速度公式如下:其中,Γp为荧光粒子扩散电泳的系数,vp(x,z,t)为荧光粒子扩散电泳速度,此速度是在溶液浓度梯度驱动下产生的;

105)获得流体速度步骤:流体的速度为 具体流体在x

方向z方向的两个维度上的速度如下:

其中Γw为壁面滑移系数,H表示z方向上的高度,是常量;

106)获得荧光粒子移动速度步骤:由流体速度、荧光粒子扩散电泳速度得到荧光粒子移动的实际速度v(x,z,t)=vp(x,z,t)+vf(x,z,t),并令v(x,z,t)=[vx(x,z,t),vz(x,z,t)]·;从而建立封闭终端微通道中荧光粒子在x方向z方向上的移动公式如下:其中Dp是荧光粒子的扩散系数,其边界条件为如下公式:

N为荧光粒子在x=0处的浓度值,为一常数;后三项为在x=L,z=H,z=0处满足的自然边界条件;

107)最优策略步骤:设置荧光粒子在一定的时间内要达到的分布量,结合荧光粒子的相关数据,而采用近似梯度优化方法和形式梯度优化法来制定最佳溶液边界控制方法,所述荧光粒子的相关数据包括荧光粒子溶液浓度、荧光粒子浓度变化、荧光粒子扩散电泳速度、流体速度和荧光粒子移动速度。

2.根据权利要求1所述的终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法,其特征在于:所述步骤107)具体的最优策略步骤如下:

701)确定控制形式步骤:移动控制芯片采用边界溶液浓度作为实际控制溶液移动扩散的控制量;

702)近似梯度优化步骤:由荧光粒子移动模型推演得到多个不同方向的优值,并比较所有的优值,获得荧光粒子移动相对最优值,而防止了优化方法陷入局部最优解;

703)形式梯度优化步骤:对相对最优值进行处理,具体处理为通过变分方法得到伴随模型,并结合有限元方法,获得荧光粒子移动模型,最终得到边界溶液最佳控制方法。

3.根据权利要求2所述的终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法,其特征在于:确定控制形式的控制目标为:nd(x,z)为荧光粒子浓度分布达到期望的分布。

4.根据权利要求3所述的终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法,其特征在于:基于Fenics Project的近似梯度优化方法步骤如下:

1)将需要优化的量c0在猜测区间中分成N个,那么就有N组优化猜测值;

2)加一个扰动项系数β,取[0,0.05]之间的数;

3)计算每个目标函数之差 并更新 γ

也是个确定的系数,k表示第k次迭代;

4)在第k+1步,采用平移变换算子 其中θ为给定常值,R为满足[0,1]分布的随机数,在 与 周围随机取2N个方向,计算目标函数J,得到2N个目标函数,得到

2N个目标函数值最小时的 值;

5)计算 ε取0.01,则停止,否则返回第3步;

6)最后,将N个最优值中选取最小值,并记录此时的优化量c0。

5.根据权利要求4所述的终端封闭微通道中荧光粒子移动耦合模型控制方法,其特征在于:形式梯度优化步骤的具体如下:采用变分方法,并基于Fenics Project,结合有限元方法,得到荧光粒子移动模型,荧光粒子移动模型为:其中m=1,2,3,...,M,M为[0,T]之间的离散数,Δt=T/M为时间间隔量,w(x,z)为Fenics Project设定的测试函数,满足第一边界条件时,其形成Fenics形式的伴随模型如下: