CN114367318B - 一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法，属于微流控芯片技术领域。采用多孔介质薄层构成复杂的多孔不透明结构，利用石墨烯薄膜对微流控通道的温度进行控制，将纳米粒子的微尺度运动和自然界重力巧妙的结合起来，由入口液面高度生成的重力产生微尺度流动，形成双层微流控芯片装置；相较于其他模拟装置，本装置不需要施加外部组件且操作简单。采用蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，相较于其他折射率调节的方法和流速测量的方法，本设计无毒、透明、无接触、易操作且精准。本发明设计可用于材料成型、石油采收、土质研究、基础生物医学研究和临床快速检测等应用。

Description

一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种复杂微流动环境的模拟装置及流速测量方法，即基于微流控技术构建一种模拟复杂微流动环境的装置，并提出一种基于纳米粒子追踪技术的流速测量方法。
背景技术
复杂环境中的纳米颗粒运动在生命演化、信息传递、药物输运等过程中至关重要。评估和分析纳米颗粒在复杂环境中运动的能力对于药物输运、石油采收、土壤保护、材料成型以及动物生理和病理生理学的模型研究非常重要。目前，大多数研究是在静态、常温、透明模型中进行，然而，实际的复杂环境常见为不透明的多孔结构且纳米颗粒的运动往往还伴随着温度的变化和微尺度流动，如纳米药物在生物组织中的输运、土壤中天然纳米颗粒的扩散和迁移。近年来，由于微流控技术的发展，已经建立了多种的二维和三维微模型来研究多孔介质中的流动和输运现象；然而，现有技术难于精准构建复杂微流动模拟装置，现实多孔介质的不透明性使得可视化非常具有挑战性，同时很难对微尺度流动进行无接触、精确的测量。较大程度上制约了材料成型、土质研究、基础医学研究和临床检测应用等的发展。因此，亟需建立流速可测、温度可控、成本低廉、操作便捷的复杂微流动环境的模拟装置。
复杂介质模拟装置一般采用透明的多孔介质，易于介质内部的观察、成像与控制。例如以下发明：一种用于模拟土壤孔隙的微模型及其制备方法(专利号：CN202110446507.X)、基于3D打印制备透明软体人体内脏模型的方法(专利号：CN201710240789.1)；现实复杂介质的结构复杂且不透光，对于不透明的多孔结构就需要对折射率进行匹配，折射率匹配目前研究者提出了很多种方法，例如如下专利：折射率匹配液及其在玻璃的光学检测中的应用(专利号：CN202110709177.9)、可调折射率聚合物(专利号：CN202011275435.9)，这类折射率匹配的溶液往往以有毒、刺鼻的、不常见的化合物为主，目前没有得到广泛的市场应用。在这些模拟装置中纳米颗粒运动的研究一般在常温、静态下进行，并且在微流控领域中流动微环境一般通过微泵控制。例如以下发明：一种纳米颗粒测量装置(专利号：CN201220525172.7)、一种用于观察纳米颗粒微观运动的实验装置(专利号：CN201820778995.8)、一种微细颗粒纳米气泡浮选方法及系统(专利号：CN201910889690.3)、一种用于制备Fe3O4磁性纳米颗粒的流体合成制备装置及其控制方法(专利号：CN201910573580.6)。实际的复杂环境中纳米颗粒的运动往往还伴随着温度的变化和微尺度流动，对于极其微小的微尺度流动，微泵控制可能因操作、耗电和保养等问题造成速度不稳定或不准确的情况。
复杂环境中的微尺度流动在不影响流体运动状态的情况下很难精确测量，目前存在的速度测量方法主要用电流表测量。第一代仪器，即旋转流量计，应用广泛，价格相对低廉。如一种麻醉机用旋转浮子流量计(专利号：CN201680036775.1)，随着不断的改进，该技术已经成熟，但这种仪器必须插入流体中才能测量流场，从而造成干扰。第二代超声波多普勒测速仪是一种非接触式、高精度的仪器，已被广泛研究为一种有前途的仪器，如一种超声多普勒测速仪(专利号：CN201310047089.2)，但超声波会对纳米颗粒运动产生影响，且相对昂贵，不适合在浓度大的多孔环境中使用。近年来，纳米粒子追踪技术的发展允许以纳米空间和毫秒时间分辨率重建单粒子轨迹，可以无接触地提供细节的位移信息以便进行统计分析，可应用于复杂微流动流速的测量。
基于此，本发明提出一种复杂微流动环境的模拟装置。基于微流控技术构建了一种多孔不透明、温度可控、流速可测的复杂微流动装置。基于重力驱动生成微尺度流动，采用蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，可精准的模拟复杂微流动环境且精确、无接触的测量微尺度流动的流速。
发明内容
本发明旨在提供一种多孔不透明、温度可控、速度可测的复杂微流动环境的模拟装置并提供一种微流动流速的测量方法。采用多孔介质薄层构成复杂的多孔不透明结构，利用石墨烯薄膜对微流控通道的温度进行控制，将纳米粒子的微尺度运动和自然界重力巧妙的结合起来，由入口液面高度生成的重力产生微尺度流动，形成双层微流控芯片装置。采用蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，可精准的模拟体内环境且精确的测量微尺度流动的流速。
本发明中，装置由双层微流控芯片、温度控制系统、微流动控制装置、多孔介质薄层构成(图1)。相较于目前存在的模拟装置，本发明的入口液面高度生成的重力产生稳定、微小的微尺度流动；高导电性、高透光性、高稳定性的超薄石墨烯薄膜对微流控通有着均匀稳定的温度控制；无毒、透明、稳定的蔗糖溶液对多孔介质的折射率进行匹配，使纳米颗粒在多孔介质薄层中的运动可视化；采用纳米粒子追踪技术无接触地提供细节的位移信息测得流速。基于上述四点，本发明装置可实现可精准的模拟体内环境且精确、无接触的测量微尺度流动的流速。
本发明的技术方案：
一种复杂微流动环境的模拟装置，所述的模拟装置包括双层微流控芯片、温度控制系统和微流动控制装置；
所述的双层微流控芯片包括载玻片1、底层PDMS结构2、顶层PDMS结构3、入口导管4、双层微流控通道5和出口导管6。所述的双层微流控通道5包括底层微流控通道5-1、多孔介质薄层5-2、顶层微流控通道5-4和石墨烯薄层结构5-3-2；所述的底层PDMS结构2上贯穿开设入口5-1-1、底层微流控通道5-1和出口5-1-3；所述的顶层PDMS结构3上开设入口5-1-1、顶层微流控通道5-4和出口5-1-3，其中顶层微流控通道5-4的上表面封闭；所述的载玻片1、底层PDMS结构2、顶层PDMS结构3由下至上依次粘合，顶层PDMS结构3的入口5-1-1上方连接入口导管4，顶层PDMS结构3的出口5-1-3上方连接出口导管6；多孔介质薄层5-2置于底层微流控通道5-1中；石墨烯薄层结构5-3-2置于顶层微流控通道5-4中；
所述的温度控制系统包括电接触式传感器5-3-1、温度控制电路5-3和可控直流电压稳压源10。所述的电接触式传感器5-3-1位于多孔介质薄层5-2与石墨烯薄层结构5-3-2之间的中心处；温度控制电路5-3嵌入顶层PDMS结构3中；可控直流电压稳压源10提供稳定的直流工作电压。
进一步地，电接触式传感器5-3-1一端连接可控直流电压稳压源10负极，另一端连接双向晶闸管VS栅极G；双向晶闸管VS主电极T1端与可控直流电压稳压源10负极相连，主电极T2端与石墨烯薄层结构5-3-2连接，双向晶闸管VS主电极T1端与电接触式传感器5-3-1连通；石墨烯薄层结构5-3-2另一端连接可控直流电压稳压源10正极；电阻R1并联在双向晶闸管VS两端。温控电路中采用双向晶闸管VS和电阻R1，通道中间的电接触式温度传感器触点的连通和断开，可以触发双向晶闸管工作和截止，基于此可以在模型装置中实现温度恒定和温度变化的控制。
进一步地，石墨烯薄层结构5-3-2是由外延生长法及化学气相沉积法制备出来的薄膜状透明、导电、导热的石墨烯材料，用以实现双层微流控通道5的加热。
进一步地，入口导管4的长度大于出口导管6的长度；入口导管4的液柱高于出口导管6的液柱，通过重力驱动流体静力学流动，通过调节入口导管4溶液高度产生的弱静压压力控制非常低的速度流动条件。实现了在不施加外部组件的情况下形成稳定的微尺度流动的创新技术。
进一步地，所述的多孔介质薄层5-2为不透明的多孔结构薄膜。
进一步地，所述的底层微流控通道5-1和顶层微流控通道5-4均包括入口扩张段、直通道和出口收缩段；且入口扩张段为对称的有斜度角度的斜面，截面宽度是由与入口通道相同宽度逐渐增大的；出口收缩通道也为对称的有斜度角度的斜面，截面宽度是由与直通道相同宽度逐渐减小的；入口扩张段和出口收缩段的扩张、收缩角度均为5-15度，长度为各截面宽度的2-5倍。底层微流控通道5-1的通道长度为最大截面宽度的40-60倍。所述的直通道长度为厘米级，截面的宽度为百微米量级。
进一步地，所述的石墨烯薄层结构5-3-2内部为碳原子紧密堆积成蜂窝状晶格的多层结构，厚度为百微米量级。
进一步地，入口导管4的溶液采用无毒、透明、稳定的溶液对多孔介质的折射率进行匹配，混入体积分数为10-5％-10-6％的纳米颗粒，通过调节溶液的浓度使纳米颗粒在多孔介质薄层中的运动可视化。
进一步地，所述的计算机7与高速相机8相连，荧光显微镜9置于双层微流控芯片位置。
将混入纳米颗粒的蔗糖溶液流体加到入口直导管中，启动温度控制系统，装置即开始工作，纳米颗粒在入口微重力驱动下产生微尺度流动；双层微流控芯片底层直通道的多孔结构薄层的中间区域为稳定区域，确定微流动流速、温度后在稳定区域采用CCD高速相机进行纳米颗粒运动轨迹的记录，采用纳米粒子追踪和统计分析技术将纳米颗粒的流动和扩散分离开，测量计算出微尺度流动的流速。实现复杂微流动环境的模拟装置的构建与微流动速度的测量。
温度控制原理：通过外延生长法及化学气相沉积法制备多层石墨烯薄膜，热导率在5300-1500W/mK，石墨烯非常强的sp2键因为晶格振动引起的高效率的传热。将石墨烯薄膜连接温控电路嵌入到顶层PDMS结构中，引出导线连接电源，电路由双向晶闸管VS、电阻R、电接触式温度传感器等组成。电接触式温度传感器嵌入在底层微流控通道的正中间，当温度低于设定值时，电接触式传感器触点断开，双向晶闸管VS经电阻R获得触发信号导通，此时石墨烯薄层通电流被加热；当温度上升到设定温度以上时，电接触式温度传感器的电接触点接通，双向晶闸管的T1-G极间短接，失去触发信号、VS处于截止状态，石墨烯薄膜停止加热。上述过程反复进行，使得温度趋于动态平衡。
一种复杂微流动流速的测量方法，步骤如下：
通过高速相机8进行拍摄，进而采用Image J和Matlab工具将纳米颗粒运动的轨迹信息提取出来，分解为X轴方向和Y轴方向，根据实际流动情况将X轴方向定义为流动方向，筛选出的X轴连续运动的大步长粒子进行分析，剔除X轴连续运动的短步长粒子是为了去除因碰撞、尺寸效应等非流动效应产生的运动，使流速表征更加精准。提取出的大步长粒子运动的λ帧在X轴上位移Δx可以表示为：
Figure BDA0003423579970000061
其中
Figure BDA0003423579970000062
表示为粒子在λ帧范围内X轴方向上的起始位置坐标，
Figure BDA0003423579970000063
表示粒子在λ帧范围内的X轴方向上的终点位置坐标，根据158nm的单像素尺寸将X轴方向上的位移Δx换算为实际运动的位移，单位为m。
根据数据统计分析的结果，对n个粒子(n>100)X轴方向上的位移求平均值，减小随机误差。粒子在X轴方向上的平均位移
Figure BDA0003423579970000071
表示为：
Figure BDA0003423579970000072
综上得到微流体中流速v表示为：
Figure BDA0003423579970000073
其中τs为曝光时间，单位为s，λ为提取粒子连续运动的帧数，λ-1表示间隔帧数。上述基于纳米粒子追踪技术测量微流体中流速的方法是将横向运动位移作为流动位移，纵向运动位移作为扩散位移。通过大量的统计分析，粒子流动产生的位移远大于扩散产生的位移，且无规则的扩散产生的位移近似0，所以忽略横向上扩散运动。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种多孔不透明、温度可控、速度可测的复杂微流动环境的模拟装置，设计巧妙、操作便捷、成本低廉。底层PDMS结构中将纳米粒子的微尺度运动和自然界重力巧妙的结合起来，实现了在不施加外部组件的情况下形成足够微小且稳定的微尺度流动的创新技术；顶层PDMS结构中嵌入石墨烯温度控制电路，形成双层微流控芯片装置；同时采用无毒、透明、便捷的蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，实现可视化基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，可精准的模拟体内环境且精确的测量微尺度流动的速度，用于材料成型、石油采收、土质研究、基础生物医学研究和临床快速检测等应用。
附图说明
图1是基于复杂微流动环境的模拟装置的结构图。
图2是微流控通道设计图，分别为主视图和剖面图。
图3是温度控制系统工作原理图。
图4是流速测量技术原理图。
图5复杂微流动环境的模拟装置示意图。
图中：1载玻片；2底层PDMS结构；3顶层PDMS结构；4入口导管；5双层微流控通道；5-1底层微流控通道；5-1-1入口；5-1-3出口；5-2多孔介质薄层；5-3温度控制电路；5-3-1电接触式传感器；5-3-2石墨烯薄层结构；5-4顶层微流控通道；6出口导管；7计算机；8高速相机；9荧光显微镜；10可控直流电压稳压源；11-1纳米颗粒轨迹；11-2纳米颗粒轨迹分解；11-3轨迹分解为扩散和流动位移。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
图1所示为，本发明一种复杂微流动环境的模拟装置结构示意图，所述的复杂微流动环境的模拟装置包括载玻片1、底层PDMS结构2、顶层PDMS结构3、入口4、双层微流控通道5、出口6。所述的底层PDMS结构与载玻片1粘合，依次连接的微流控通道入口4、微流控通道5-1、多孔介质薄层5-2(5-2固定在5-1中)、出口6；所述的顶层PDMS结构与底层PDMS结构粘合密封,顶层PDMS结构中嵌入温度控制系统，石墨烯薄层固定在顶层微流控通道5-4中。
如图2所示，所述的微流控通道5-1-2位于微流控芯片底层通道中，包括依次连接的微流控通道入口5-1-1、入口扩张结构、直通道和出口收缩结构；高度与薄膜高度一致；顶层微流控通道包括入口扩张结构、直通道、出口收缩结构，与底层通道尺寸相同，高度与石墨烯薄膜厚度相同，顶层入口和出口通道处需要打通两个百微米量级的孔；封装过程中将两层通道置入薄膜粘合在一起。图2下图的剖面图中包括顶层PDMS厚度H1、顶层通道高度H2、底层通道高度H3。
如图3所示，所述的温度控制系统包括、电接触式传感器5-3-1、石墨烯薄膜5-3-2、可调直流电压稳压源10，以及电阻R1和双向晶闸管VS控制电路中电流，从而实现温度控制。
如图4所示，所述的流速测量技术原理图包括左图多个颗粒运动轨迹，右图放大运动轨迹11-1，将颗粒每一步长运动分解11-2、分解为扩散和流动方向上的两个位移量11-3。经过大量颗粒的处理分析得到精准的流速表征。
所述的温度控制电路5-3，嵌入在顶层PDMS结构中，引出两条导线连接可控直流电压稳压源10；整个结构在封装过程中使用等离子体清洁器将底层PDMS粘合到载玻片，在底层PDMS压印一薄层PDMS预聚物，并在表面上放置基于多孔介质薄膜以覆盖整个底层流体通道。在120℃烘烤1-2小时后，膜牢固地粘附在底层；顶层PDMS通道中用硅酮密封粘接剂将石墨烯薄膜固定在顶层PDMS通道中，打通出口和入口两个孔，使用等离子体清洁器将顶层PDMS粘合到底层PDMS。组装好的装置的剖面图显示含有纳米颗粒的蔗糖溶液被引入底层微流控通道，温度通过顶层控制。
本实施案例中，还设置计算机7、高速相机8、荧光显微镜9和可调直流电压稳压源10，共同构成了完整的复杂微流动环境的模拟装置(图5)。所述的可调直流电压稳压源：MS305D；双向晶闸管：BT136-600E；电接触式传感器:KSD-01F。
一种复杂微流动环境的模拟装置的具体实施步骤如下：
打开微流控芯片的所有入口和出口，选用粒径为200nm的聚苯乙烯颗粒混入蔗糖溶液中，加入入口4中，弱静压压力下产生微尺度流动；打开石墨烯薄膜控制电路，电接触式温度传感器当温度低于设定值时触点断开，双向晶闸管VS经电阻R获得触发信号导通，此时石墨烯薄层被加热，当温度上升到设定温度以上时，电接触式温度传感器的电接触点接通，双向晶闸管的T1-G极间短接，失去触发信号、VS处于截止状态，石墨烯薄膜停止加热。上述过程反复进行，使得温度趋于动态平衡。当流速和温度稳定时，模拟装置与显微镜9和高速相机连接在一起，在瞬态条件下对纳米颗粒的流动和流体结构进行观察，高速相机CCD 8以10帧/秒的拍摄速率采集，在计算机7屏幕上可以观测存储。进而利用纳米粒子追踪技术，采用image J和MATLAB将纳米将粒子运动的轨迹信息提取出来，进行大量数据处理与统计分析得到流速。
本实施案例中，微流控芯片采用标准软光刻技术与激光雕刻技术加工，聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成的装置结构中，使用激光雕刻机切割获得微流控通道结构的125μm厚的聚酰亚胺薄膜，贴制在硅片上，采用配胶、匀胶、倒胶、干燥、切胶、打孔、清洗等标准化的微加工方法，运用PDMS与洁净的约1.1mm厚的玻璃片键合，激光雕刻机根据通道结构切割孔径为0.65的硝化纤维薄膜和石墨烯薄膜，固定在PDMS芯片的通道中，封装后形成具有良好光学透性的PDMS芯片。微流控芯片设计如图2所示：PDMS厚度为0.8-1.2cm，顶层PDMS厚度为H1＝0.7-1.1cm，底层PDMS高度为125um，入口扩张和出口收缩部分长度400mm、角度10度。汇聚通道部分，上下直通道高度H2＝125μm、μmH3＝125μm，宽度W＝80μm，长度L＝3cm。
本实施案例中，将混入纳米颗粒的蔗糖溶液流体加到入口直导管4中，启动温度控制系统5-3，装置即开始工作，纳米颗粒在入口微重力驱动下产生微尺度流动；双微流控芯片中底层直通道的多孔结构薄层中间区域为稳定区域，确定微流动流速、温度后在稳定区域采用CCD高速相机8进行纳米颗粒运动轨迹的记录，采用纳米粒子追踪技术和统计分析技术将纳米颗粒的流动和扩散分离开，测量计算出微尺度流动的流速。实现复杂微流动环境的模拟装置的构建与微流动流速的测量。本发明的复杂微流动环境的模拟装置可以对不同流速、不同多孔结构、不同温度下进行模拟，并可以精准得到通道内的流速和温度。
本发明提供的一种多孔不透明、温度可控、流速可测的复杂微流动环境的模拟装置，设计巧妙、成本低廉、操作简单。底层PDMS结构实现重力驱动微尺度流动和顶层PDMS结构中嵌入石墨烯温度控制电路，形成双层微流控芯片装置；同时采用无毒、透明、便捷的蔗糖溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，实现可视化进而基于纳米粒子追踪技术测量装置中流速，可精准的模拟体内环境且精确、无接触的测量微尺度流动的流速，用于材料成型、石油采收、土质研究、基础生物医学研究和临床快速检测等应用。

Claims (10)

1.一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，所述的模拟装置包括双层微流控芯片、温度控制系统和微流动控制装置；
所述的双层微流控芯片包括载玻片(1)、底层PDMS结构(2)、顶层PDMS结构(3)、入口导管(4)、双层微流控通道(5)和出口导管(6)；所述的双层微流控通道(5)包括底层微流控通道(5-1)、多孔介质薄层(5-2)、顶层微流控通道(5-4)和石墨烯薄层结构(5-3-2)；所述的底层PDMS结构(2)上贯穿开设入口(5-1-1)、底层微流控通道(5-1)和出口(5-1-3)；所述的顶层PDMS结构(3)上开设入口(5-1-1)、顶层微流控通道(5-4)和出口(5-1-3)，其中顶层微流控通道(5-4)的上表面封闭；所述的载玻片(1)、底层PDMS结构(2)、顶层PDMS结构(3)由下至上依次粘合，顶层PDMS结构(3)的入口(5-1-1)上方连接入口导管(4)，顶层PDMS结构(3)的出口(5-1-3)上方连接出口导管(6)；多孔介质薄层(5-2)置于底层微流控通道(5-1)中；石墨烯薄层结构(5-3-2)置于顶层微流控通道(5-4)中；
所述的温度控制系统包括电接触式传感器(5-3-1)、温度控制电路(5-3)和可控直流电压稳压源(10)；所述的电接触式传感器(5-3-1)位于多孔介质薄层(5-2)与石墨烯薄层结构(5-3-2)之间的中心处；温度控制电路(5-3)嵌入顶层PDMS结构(3)中；可控直流电压稳压源(10)提供稳定的直流工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，电接触式传感器(5-3-1)一端连接可控直流电压稳压源(10)负极，另一端连接双向晶闸管VS栅极G；双向晶闸管VS主电极T1端与可控直流电压稳压源(10)负极相连，主电极T2端与石墨烯薄层结构(5-3-2)连接，双向晶闸管VS主电极T1端与电接触式传感器(5-3-1)连通；石墨烯薄层结构(5-3-2)另一端连接可控直流电压稳压源(10)正极；电阻R1并联在双向晶闸管VS两端；温控电路中采用双向晶闸管VS和电阻R1，通道中间的电接触式温度传感器触点的连通和断开，可以触发双向晶闸管工作和截止，基于此可以在模型装置中实现温度恒定和温度变化的控制。
3.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，石墨烯薄层结构(5-3-2)是由外延生长法及化学气相沉积法制备出来的薄膜状透明、导电、导热的石墨烯材料，用以实现双层微流控通道(5)的加热。
4.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，入口导管(4)的长度大于出口导管(6)的长度；入口导管(4)的液柱高于出口导管(6)的液柱，通过重力驱动流体静力学流动，通过调节入口导管(4)溶液高度产生的弱静压压力控制非常低的速度流动条件；实现了在不施加外部组件的情况下形成稳定的微尺度流动的创新技术。
5.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，所述的多孔介质薄层(5-2)为不透明的多孔结构薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，所述的底层微流控通道(5-1)和顶层微流控通道(5-4)均包括入口扩张段、直通道和出口收缩段；且入口扩张段为对称的有斜度角度的斜面，截面宽度是由与入口通道相同宽度逐渐增大的；出口收缩通道也为对称的有斜度角度的斜面，截面宽度是由与直通道相同宽度逐渐减小的；入口扩张段和出口收缩段的扩张、收缩角度均为5-15度，长度为各截面宽度的2-5倍；底层微流控通道(5-1)的通道长度为最大截面宽度的40-60倍；所述的直通道长度为厘米级，截面的宽度为百微米量级。
7.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，所述的石墨烯薄层结构(5-3-2)内部为碳原子紧密堆积成蜂窝状晶格的多层结构，厚度为百微米量级。
8.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，入口导管(4)的溶液采用无毒、透明、稳定的溶液对多孔介质的折射率进行匹配，混入体积分数为10-5％-10-6％的纳米颗粒，通过调节溶液的浓度使纳米颗粒在多孔介质薄层中的运动可视化。
9.根据权利要求1所述的一种复杂微流动环境的模拟装置，其特征在于，计算机(7)与高速相机(8)相连，荧光显微镜(9)置于双层微流控芯片位置。
10.采用权利要求1-9任一所述的一种复杂微流动环境的模拟装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：
通过高速相机(8)进行拍摄，进而采用Image J和Matlab工具将纳米颗粒运动的轨迹信息提取出来，分解为X轴方向和Y轴方向，根据实际流动情况将X轴方向定义为流动方向，筛选出的X轴连续运动的大步长粒子进行分析，剔除X轴连续运动的短步长粒子是为了去除因碰撞、尺寸效应等非流动效应产生的运动，使流速表征更加精准；提取出的大步长粒子运动的λ帧在X轴上位移Δx可以表示为：
Figure FDA0003831565570000031
其中
Figure FDA0003831565570000032
表示为粒子在λ帧范围内X轴方向上的起始位置坐标，
Figure FDA0003831565570000033
表示粒子在λ帧范围内的X轴方向上的终点位置坐标，根据158nm的单像素尺寸将X轴方向上的位移Δx换算为实际运动的位移，单位为m；
根据数据统计分析的结果，对n个粒子n>100，X轴方向上的位移求平均值，减小随机误差；粒子在X轴方向上的平均位移
Figure FDA0003831565570000034
表示为：
Figure FDA0003831565570000035
综上得到微流体中流速v表示为：
Figure FDA0003831565570000041
其中τs为曝光时间，单位为s，λ为提取粒子连续运动的帧数，λ-1表示间隔帧数。
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