一种用于基于轨迹准确预测确定性侧向位移微流体学中临界直径的三维建模框架

用微型迷宫分拣微小颗粒

想象一种实验室检测，只需几分钟、用一滴血样和一片透明塑料芯片，就能从中挑出稀有的癌细胞或病毒。本文研究了支撑此类检测的关键技术之一——一种称为确定性侧向位移（DLD）的微观“障碍赛道”——并提出了一种新的方法，能精确预测哪些颗粒会被分离、哪些会穿过而不被偏转。

微型障碍赛道如何按大小分拣

DLD 装置是平面微流体通道，内部排列着规则的柱子，像一片有序的“柱林”。流体在柱间缝隙中稳定流动。较小的颗粒随流线运行，呈之字形直接穿过；而较大的颗粒无法进入最窄的流道，会多次撞击柱子并被向侧面推动，最终从不同的出口流出。决定颗粒是呈之字形穿过还是被撞击偏移的界限尺寸称为临界直径。提前知道这个临界直径对于设计能可靠分离细胞、液滴或纳米颗粒的芯片（用于医学诊断和研究）至关重要。

现有设计规则的局限

到目前为止，大多数 DLD 设备的设计规则把颗粒当作理想点，把通道视为完全二维。简单公式或计算模型仅用平面内的柱间间距来估算临界直径。但真实器件有有限的高度，且流体在顶底壁附近会减速。柱子可能并非圆形、间距不均，制造中还会有细微缺陷。早期的三维模拟要么依赖随设计变化的经验拟合因子，要么计算量太大，不适合常规使用。因此，对会被分离的颗粒尺寸的预测常常不准确，尤其是在更复杂的柱形或精细调节的器件中更为明显。

在每个颗粒上的三维力学图谱

作者提出了一个新的三维建模框架，从颗粒本身的视角出发解决问题。首先，他们利用有限元软件在由四个相邻柱子组成的一个代表性小单元中计算详细的三维流场。随后，不再将颗粒简化为一个点，而是将球形颗粒表面划分为许多微小片段。对每个片段，他们计算局部流速和压力如何作用于颗粒，包括粘性阻力、压力力以及由速度梯度和近壁效应产生的微小升力。这些局部力被合并用于逐步更新颗粒运动。通过让多种颗粒尺寸穿过重复的四柱单元，方法揭示每种尺寸是沿之字形通行、沿撞击路径偏移，还是介于两者之间。

垂直方向上隐藏的第三种行为

采用这种三维方法，研究者发现临界直径并不是一个单一的固定数值，而是在通道高度上变化。事实上，它呈现出一个 U 形曲线：处于中高处的颗粒在最小尺寸下就会被分离，而靠近顶壁和底壁的颗粒则需要更大的尺寸差才会被偏转。在这些极端之间存在一个过渡带，在该带内给定尺寸的颗粒可能随着微小的上下振荡在之字和撞击模式之间来回切换。这种混合行为产生了一种“改变的之字”轨迹，其净侧向位移比纯撞击更弱且更具可变性。团队的模拟结果与已发表的实验以及对定制芯片进行的新测试相吻合，测得的颗粒路径精度约在一微米量级。

设计更尖锐、更智能的分拣芯片

对非专业读者来说，关键结论是：影响 DLD 装置分辨能力的不仅是从上方看到的柱子布局，流动的垂直结构同样起着重要作用。通过显式建模三维力，这一新框架能预测并解释此前模糊分离性能的那些不确定轨迹。它还表明，某些柱形（例如倒三角设计）可以缩小过渡带、提高器件分辨率。由于该方法只需求解一次稳态三维流场并高效重复利用，因而成为快速探索新芯片几何形状的实用工具。长远来看，作者设想将这一基于物理的模型与自动化结合，使微流体分离器可按需设计，用于从稀有细胞分离到床边诊断等多种任务。

引用: Chen, J., Huang, X., Xuan, W. et al. A 3D modeling framework for accurate trajectory-based prediction of critical diameter in deterministic lateral displacement microfluidics. Microsyst Nanoeng 12, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-025-01139-3

关键词: 微流体分离, 确定性侧向位移, 颗粒分拣, 芯片实验室, 细胞与纳米颗粒分析