（分析化学专业论文）低电压电泳过程的参数优化和分析效能的模拟分析.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 电泳芯片是利用微光机电系统技术在玻璃、石英、有机聚合物等基片上刻蚀 出预设计好的微通道网络，并在其中进行样品的电泳分离，利用光学或化学等方 法进行检测。电泳芯片为分离分析领域提供了一种全新的技术平台，已经开始在 生命科学、药物化学、医学等领域得到应用。随着芯片研究的深入开展，将会在 更多领域得到应用，具有广阔的发展前景。 随着芯片的发展和应用，需要更精确地操纵芯片上的流体，以实现整个芯片 的功能，因此芯片流体的定量研究对芯片功能的设计和分析有重要的意义。为了 对芯片做出定量的分析，需要流体理论的支持。然而当尺寸缩小到一定范围时， 许多物理现象和宏观世界有很大差别，这给我们进行芯片的定量研究带来了非常 大的困难。目前，微流体的微流体理论还十分的匮乏，基础研究尚处在发展阶段， 其中许多问题尚无定论，从研究手段上，实验观测是必须的，但是会有难度。流 体的数值模拟仿真技术是一种比较实用的手段，它可以容易的改变计算条件，研 究复杂边界条件下流体的流动现象，具有灵活、经济、限制较少的优点、对芯片 的设计进行计算机模拟仿真，不仅可使实验者对整个微流体系统的基本物理和化 学过程有一个更全面深入的理解，激发新的设计思路和想法，指导芯片系统优化 设计，而且可以有效的降低成本，缩短芯片的研制周期。 本文主要以数值模拟的方法来指导芯片的设计和优化。以实验室研制的两种 芯片为例，利用商业化的微流体数值模拟软件( c o v e n t o rw a r e ) 模拟了流体在芯 片中的焦耳热和低电压芯片电泳过程，通过数值模拟的方法分析了影响芯片性能 的参数，根据模拟结果对芯片的设计方案进行优化，并设计了相应的实验对模拟 结果进行验证。有效探索了数值模拟方法在芯片设计中的应用，为实验室下一步 实验工作提供了参考。 本论文的主要工作有： 考察了通过对芯片不同参数考察了焦耳热对芯片上分离效率的影响，并与常 规芯片电泳进行比较，对其结果进行了讨论。根据焦耳热原理建立了数学模型， 同时建立了对应的芯片实体模型，通过对结构参数和操作参数引起芯片电泳不焦 耳热的分析，针对实际样品考察了其对芯片系统分离效率的影响，在样品分离中 采用数值模拟，并设计了相应的实验，对其结果进行了验证，表明模拟结果和实 验结果具有较好的一致性。 在常规芯片电泳理论的基础上对低电压芯片电泳进行了系统的模拟分析，建 立了低电压芯片电泳分离的理论模型和实体模型，通过c o v e n t o r w a r e 有限元分析 重庆大学硕十学位论文 中文摘要 软件分析了在不同的操作条件下对其分离效果进行了模拟分析，实现了低电压芯 片电泳分离蛋白质。 论文的的研究表明，利用数值模拟方法研究芯片中流体特性是一个很有效的 方法，具有方便，准确的优点，突破了实际实验中操作及检测的限制，对流路设 计和流体流动特性乃至芯片的整体性能优化都有非常重大的意义。相信数值方法 的应用会有力推动芯片研究的发展。 关键词：电泳芯片，焦耳热，低电压芯片电泳 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h em i c r o c h a n n e ln e t w o r ko nt h ee l e c t r o p h o r e s i sc h i pi sm a n u f a c t u r e db yt h e t e c h n o l o g yo fm i c r oo p t oe l e c t r om e c h a u i e a ls y s t e mo nt h es u b s t r a t eo f 羽a s s ，f u s e d s i l i c a , p d m se t c s a m p l es e p a r a t i o ni sp e r f o r m e di nt h em i c r o c h a n n e la n dd e t e c t e db y o p t i c e a lo rc h e m i c a lm e t h o d s e l e e t r o p h o r e s i sc h i pi sam u l t i d i s e i p l i n a r yt e c h n o l o g y , i t b e c a m ean e w p l a t f o r mi nt h ef i e l do f a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , e s p e c i a l l yi nt h el i f es c i e n c e ， d r u gd i s c o v e r ya n dm e d i c i n e e l e c t r o p h o r e s i sc h i pt e c h n o l o g yi so n eo fl e a d i n ge d g et e c h n o l o g i e so fm o d e r n a n a l y s i ss c i e n c e t h ep e r f o r m a n c eo fe v e r ym i c r of l u i dd e v i c ew h i c hc o n s t r u c t st h e w h o l ee l e c t r o p h o r e s i sc h i ps y s t e mi sv e r ys i g n i f i c a n t ，e s p e c i a l l yt oo p t i m i z a t i o no ft h e w h o l es y s t e m a l t h o u g he l e c l r o p h o r e s i sc h i pi s w i d e l ya p p l i e d ，t h em e c h a n i s mo f m i c r o f l u i d i co nt h i sk i n do fc h i pi sf a rf r o mw e l lk n o w n t h er e s e a r c ho nt h el i q u i d f l u i dc h a r a c t e r i s t i co fm i c r of l u i dd e v i c ec a l lp r o v i d ei n s t r u c t i o nt ot h ec h i pd e s i g na n d a n a l y s i so fi t sf u n c t i o n s i m u l a t i o nt ot h ed e s i g nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s ta n d i m p r o v ee f f i c i e n c ym e a n w h i l e ，i ti sa ni m p o r t a n tw a yt os t u d ym i c r of l u i d i nt h i s d i s s e r t a t i o ns t u d yo f f l u i df i e l do nt w ok i n d so f c h i p si sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gs i m u l a t i o n o ft h el i q u i df l u i df i e l do nt h ec h i p sw i t l ls i m u l a t i o ns o f t w a r ec o v e n t o rw a r e e c p e r i m e n t a lv a l i d a t i o na n do p t i m i z a t i o no f c h i pd e s i g nb a s e do nt h ec o n c l u s i o n t h e t o p i c so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e db e l o w ： d i s c u s s e dt h ej o u l eh e a to fe l e c t r o p h o r e s i s c h i p ， ac o m p a r i s o nb e t w e e n e l e c t r o p h o r e s i sc h i pa n dt r a d i t i o n a lc es y s t e mo n j o u i eh e a t , i no r d e rt ok n o wt h ee f f e c t o f t h ej o u i eh e a t i n gi nm i c r oc h a n n e l s ，t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sf o rt h em i c r o f l u i d i ca r e n u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d a no p t i m i z a t i o nd e s i g nw a s m a d ef o rt h ec h i p n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n et oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo ft h e s e f a c t o r s ，a n de x p e r i m e n t sw e r ea l s op e r f o r m e dt ov a l i d a t et h es i m u l a t i o nr e s u l t b o t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni no u r e x i s t i n gd e v i c ec a l la c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s w i t hc o v e n t o rw a r es o f t m a r e ，m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tu pt oe v a l u a t et h e i n f l u e n c et ot h ef l o wo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s e t u pn u m e r i c a lm o d e lb a s e do ni n r e n s i v e s t u d yo fe l e c t r o p h o r e s i sc h i pa n dt h es o f t w a r ep a c k a g e ( c o v e n t o rw a r e ) t oi m p r o v et h e o d g i n a lc h i pd e s i g n 1 0 wv o l t a g ee l e c t r o p h o r e s i sc h i ph a sb e e nu s e dt op r o t e i n s e p a r a t i o ne x p e r i m e n t s ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a t i th a sm e tt h en e e df o rp r o t e i n i 里鉴叁堂堡主堂壁笙壅 茎奎塑墨 s e p a r a t i o np r o t e i nb s aa n dl y s ，a n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa c c o r dw i t ht h et h e o r y c o m p u t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ns h o w st h a ti ti sc a l le f f e c t i v ew a yt os t u d yt h ef l u i dc h a r a c t e r i s t i c o nc h i p sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a ss o m e a d v a n t a g e s s u c ha sc o n v e n i e n c ea n da c c u r a c y , a sw e l la sb r e a k i n gt h r o u g ht h er e s t r i c t i o no ft h e e x p e r i m e n tm e t h o d i ti sv a l u a b l et ot h ed e s i g no ff l u i dp a t ha n do p t i m i z a t i o no fc h i p s y s t e m i ti sb e f i e v e dt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw i l lb ea d o p t e di na l a r g e a m o u n ti nt h ee l c e t r o p h o r e s i sc h i pr e s e a r c h ，a n ds u r e l yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o p h o r e s i sc h i pr e s e a r c h k e y w o r d s ：e l e c t r o p h o r e s i sc h i p ，j o u l eh e a t , l o wv o l t a g ee l e c l x o p h o r e s i sc h i p i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得重庞太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 彬嶙 签字日期：夕口一7 年石月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 挂峰 签字日期：力7 年歹月歹日 导师签名： i 令( t 参 签字醐一7 绷r 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 芯片电泳作为微流控芯片分析领域的一个重要分支，是近年来发展迅速的微 量分析装置，是在常规毛细管电泳的原理技术基础上，利用微机械加工技术在 硅、玻璃、塑料等基体上刻蚀出管道网络结构和其它功能单元，通过不同管道网 络、功能单元的设计，实现样品的进样、反应、分离和检测，是一种多功能化的 快速、高效、低耗的微型实验装置。 芯片电泳的出现是与j t t a s ( m i c r o - - t o t a l a n a l y s i ss y s t e m ) 的提出和发展紧密 相关的。t a s 是现代分析样品的常用技术，它存在耗时长、试样用量多等缺点， 随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，人们越来越希望改进t a s 技术。1 9 8 9 年，瑞士的c i b a - g e i g y 公司第一次提出i t t a s 的概念。他们认为t a s 是周期性的将化学信号转变为电信号的系统，而p t a s 则是：能在距检测点很近的 地方完成样品所有出路步骤的系统。1 1 1 a s 概念的提出将t a s 技术和集成化技术 结合起来，推动了分离技术的发展，将整个实验室过程集成到尽可能小的平台上 完成，不仅减小了实验耗时和样品用量，而且由于其实验室装置体积小而轻便， 易于控制，也适用于需要实地采样和分析的工作。芯片电泳是t t t a s 发展的一个重 要的分支1 9 9 1 年六月，在巴塞尔举行的高效液相色谱会议及在洛杉矶举行的1 9 9 1 年i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 传感器会议上，发表了用 玻璃做基体的毛细管电泳芯片的实验结果，从而宣布了电泳芯片的正式诞生i l 捌。 虽然电泳芯片诞生至今不过十几年左右，但是已经开始在免疫测定、d n a 分析和 测序、氨基酸和蛋白质的分离、生物细胞研究等方面崭露头角。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 计算机模拟技术与芯片研究 对芯片理论的研究，有助于解释和优化现有的芯片系统，指导新系统的设计， 发展更为复杂的芯片系统，适应应用领域方面越来越高的要求。但目前的情况是： 芯片分析领域正处在起步时期的蓬勃发展阶段，技术的发展领先于理论，文献报 道了大量的芯片系统，而理论方面则还未出现可用来指导芯片系统设计的统一的， 完善的理论。目前，这一问题已逐渐被人们所认识，理论研究已成为芯片分析重 要的研究方向之一。在微系统内特殊效应，进样系统，电渗驱动系统及弯道效应 的理论研究方面也已取得一定的成果。 芯片分析系统管道尺寸的减小，产生了一系列不同于宏观体系的尺度效应， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 目前认识较多的如扩散效应，层流效应，还有传热效应。微系统中管道尺寸的减 小，对于提高传热速度非常有利。按照f i c k 理论，对于矩形管道或反应器，体系 散热所需时间与管道深度的平方成正比。虽然以上结论是在假设体系周围环境的 热容为无穷大的前提下得到的，但也可以说明，在微尺度下，加热和冷却可在很 短的时间内完成。传热效应在芯片电泳和p c r 扩增反应芯片上得到较多应用。各 种微流控操作正是在上述尺度效应的影响下进行，对微系统中特殊的尺度效应的 深入研究，有助于在微流控操作中更好的利用尺度效应，同时避免其带来的不利 影响。除此之外，微系统中尚有许多问题还未得到很好的研究，需进一步探讨， 如完整表述微流体流动模型的建立，有关各种材料，表面性质对微流体的影响1 3 j 等。 当前分析技术( 包括生物和化学分析) 的目标是发展出一种方法使得分析装置 更小、速度更快、试剂和样品更省且少污染。而以微机电加工技术( m i c r o - - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 为基础的“微型全分析系统”( m i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m ，i x t a s ) 以a s 的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地 把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。 由于以上特征，本领域的一个更为通俗的名称是“芯片实验室”。它在芯片上缩微化 和集成化了各种化学操作，如：混合、反应、分离和检测，相比常规电泳优势在 于大大缩短了分析速时问、提高了效率、便于携带、减少了试剂的消耗。然而随 着微流控芯片的发展，如微系统内的特殊效应、进样系统、电渗驱动系统和弯道 效应、内部流动难以通过实验观测。计算机模拟模拟仿真技术应用到微系统中， 利用模拟仿真结果可帮助研究解释现有微流控系统的控制机理，预测新设计芯片 构型的可行性，定量研究影响系统的主要因素及其影响程度、方向，指导新的微 流控系统的设计。到目前为止，对电泳芯片的研究大多数是通过实验来进行的， 对与电泳芯片的进样和分离还缺乏理论指导，但是，由于电泳芯片原理和毛细管 电泳的原理基本相同，所以对电泳芯片的研究可以借鉴一些电泳的理论。 由于常规电泳过程进样过程比较简单，有关电泳方面的大量文献报道主要从 离子角度研究物质的化学分离过程，而对于进样过程的研究较少。近几年开始出 现了有关利用常规电泳进行物质分离的计算机数值模拟报道，虽然提出了描绘电 泳分离过程的差分方程，但是直到e r m a k o v 4 , $ 的一系列文献报道，才出现了较好 的数值解决法来解这些方程1 6 。e r m a k o v 的解法表明，人为增加对流方程的离散量， 可以大大改进仿真的结果，消除了数值抖动和分散。e r m a k o v 发现出现抖动的原因 和以下因素有关：所用的数值方法、方法中的参数、时间和空间的网络尺寸。为 了加快计算的过程，在不产生抖动和溶液负浓度的条件下，网络的尺寸要尽量大， 这些参数的最优值取决于电泳状态的选择( 主要是离子强度和电流密度) 。当增加 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电场强度时。在分离的不同阶段最优离散网络尺寸是不同的。虽然有许多可以利 用的数值方法，但是在即要求对实际情况的适应又要求计算速度的情况下有一定 的限制。另一方面是现在存在的程序都缺乏实用的用户界面，这使得用户不能像 使用、m r d 那样方便的使用这些软件。 对芯片电泳分离过程的研究可以借鉴传统电泳内电泳传输的模型。大多数对 电泳传输的研究都是借鉴了b i e r 等人建立的计算机模型，这些研究所建立的模型 都是一系列的偏微分方程，并且是一句对流规则建立的。模型基本上都是一维的， 少数是建立在二维基础上的，比如基于不均匀的毛势产生的不均匀电渗流建立的 模型。a n d r e e v 和l i s i n 为一维的毛细管电泳建立了数学模型，分析电渗流外部轮 廓形状对分离效率的影响。另外，f a n 和h a r r i s o n 还报到了样品注入的持续时间 对分离效率的影响，正如前面所提到的那样，分离效率依赖于注入样品的形状， 而注入样品的形状又依赖于交叉口处的电渗流模式。他们观察到在开始一小段时 间内，分离效率随着进样时间的增加而增加，但当某一特定的时间过后，分离效 率达到稳定值，产生这种想象可能是由于流场的不稳定以及流体( 样品) 充满交 叉口需要一段时间。 当前芯片技术理论研究的一个重要方向，是将流体力学中的重要研究手段之 一一计算机模拟仿真技术应用于芯片系统中。其应用领域不仅有微管道中流速曲 线和分布的模拟，还包括对管道内温度，电场分布的模拟。利用模拟仿真结果可 帮助解释现有芯片系统的控制机理，预测新设计芯片构型的可行性，定量研究影 响系统的主要因素及其影响程度，指导新的芯片系统的设计。通常其过程是在现 有理论指导下，建立表征描述特定微系统的数学模型，然后利用计算机模拟仿真 技术，根据数学模型给出该微系统的有关模拟结果，利用理论模拟结果可指导管 道构型的设计或对系统实验条件优化，或将理论与实验结果对照，对现有的理论 作出修正。 1 2 2 芯片上焦耳热的研究 以前大多数学者以数值分析电渗流时均假设流场为等温状态，近年来陆续有 学者致力于非等温电渗流场的研究，一旦流场处于非等温状态，将使电渗流相关 物理参数变化特别显著。管道中的温度梯度的产生可能来自两种情况：沿管道 施加的电压与电导率到达一定程度时，焦耳热效应( 与对流体施加的电压有关) 将变得明显；当流体经由周围环境加热或冷却时，微管道中的流体与周围环境 处于非热平衡状态【7 j 。 在分析过程中流体温度的控制是非常重要的，特别是在反应和分离过程中。 已经有很多实例证明了在芯片电泳系统中温度的重要作用。自从有了电泳的概念。 人们就知道电泳过程中产生的焦耳热可引起分离效率的降低。电泳的产生大大提 重庆大学硕+ 学位论文1 绪论 高了生物分子的分离效率和使用范围。然而，即使对于电泳分离，当分离电压施 加在充满缓冲液的管道中，电流通过缓冲液产生焦耳热，提高了管中缓冲液的平 均温度。由于产生的热量通过管壁向外部扩散的速度缓慢，在管中产生了温度梯 度和局部电解质缓冲液浓度的变化，从而降低了分离效率。芯片电泳中焦耳热的 对系统分离效率的影响已有理论模型和实验对其论证一般来说，这些研究组认为 管道中温度梯度的产生引起抛物线流，当温度超过周围环境1 5 2 0 可明显的降 低分离效率。 1 9 8 1 年r o b e r t j h u n t e r 首 先详细的说z e t a 电位的理论用，随后即出现了大量的 e o f 研究瞄j ；1 9 9 4 年r o n a l df p r o b s t e i n 在其著作 p h y s i e o c h e m i c a ly d r o d y n a m i c ”中 详尽说了电动流体力学的基本理论【9 】；1 9 9 8 年e e l e s ha p a t a n k a r 及h o w a r dh h u 模拟十字管道样品集中的情形，并在流道交会处将网格加密以便得到口口确的模 拟数1 1 卅；2 0 0 1 年p r a s h a n t ad u t t a 以及a l ib e s k o k 详细推导出二维电渗流速口与z e t a 电位之解析解【l l 】；2 0 0 2 年j - yl 抽及l 广mf u 以及r - jy a n g 模拟十字管道样品集中的 情形1 1 2 ；2 0 0 2 年p r a s h a n t ad u t t a 及a l ib e s k o k 以及t i m o t h yc w a r b u r t o n 模拟直流道 电渗流，其在边界加密网格，以口得到口精确的z e t a 电位以及速口分布【1 3 】；2 0 0 3 年j a h m l d a m 以及j o h nc b o w m a n ，使用d e b y e - h u c k e l 假设，将将描述壁面电位的 p o i s s o n 方程式简化为h e l m h o l t z 方程式，进而模拟直流道内的电渗流，以及观察 d e b y e 厚口对电渗流速口曲线的影响f 4 】；2 0 0 3 年g y t a n g l e y a n g 及c j c h a i 以 及h q g o n g 考虑焦耳热效应对二维矩形微流道中电渗电泳的影响，他们使用 b o i t z m m m 分布假设，进一步地简化描述壁面电位的p o i s s o n 方程式成为 p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程式【”1 ； 2 0 0 4 年x i a n g c h u nx u a n 以及d o n g q i n gl i 探讨口焦耳 热对圆管电渗流的影响，并详细绘出流体物口性质的变化图【1 6 j ；2 0 0 5 年x i a n g e h u n x u a n 以及d o n g q i n g l i 也在考虑焦耳热情况下，进口口圆管电渗流的解析解研究1 1 6 l ； 2 0 0 6 年s i d d h a r t h ad a s 及s u m a nc h a k r a b o r t y 导出口圆管电渗流非牛顿流体的温度、 浓度、速度的解析解【1 7 】；2 0 0 6 年g y t a n g 及c y a n g 以及y c l a m 等人口进一步 模拟焦耳热对三维微流道电渗电泳现象的影响【1 8 】。另文献 1 5 - 2 2 1 也对微流芯片流场 进行了相当深入的分析与研究。 1 2 3 低电压芯片电泳的研究进展 随着m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术的发展，为满足对生物信息 实现快速检测和可靠分析的迫切需要，人们提出了“芯片上的实验室( l a bo nt h e c h i p ) ”的思想，促进了毛细管电泳仪向小型化方向发展，使电泳芯片的研究成为 世界各国关注的热点。近年来，人们陆续报道了一系列电泳芯片的研究结果，并 已成功地应用于d n a 分析和测序、蛋白质和氨基酸的分离、免疫测定等方面， 使电泳芯片的应用范围不断扩大。然而这些电泳芯片所需的分离电压一般从几百 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 伏到几十千伏，不能满足日益发展的新技术对分离分析仪器提出的个人化、家用 化、便携式等要求。为此，通过m e m s 设计提出了一种低电压分离模型，在分离 通道上分段、梯度、交替循环地施加电压，以降低电泳芯片的分离电压。同时， 通过对限制电压降低的相关因素的讨论，可以为低电压电泳芯片的研制提供一定 的理论依据。高场强所需的高分离电压制约了电泳芯片向集成化、便携式、低成 本的方向发展。因此，基于电压与电场的正比关系，提出一种低电压分离模型， 以期在低电压下提供电泳快速高效分离所需的高分离场强，实现电泳芯片的低压 快速高效分离。l u n g - m i n gf u 等人0 9 1 提出了芯片电泳上移动电场的物理模型和各 种参数的模拟。提出了采用移动电场的芯片电泳低电压驱动模型，分离管道被电 极分隔成小的分离区带，并考虑了两种不同的电极阵列施加方法，即分离通道上 的单侧电极和双侧电极，并把模拟结果同实验结果进行了对比，结果证明采用阵 列电极的低电压驱动流体同样可以获得足够高的场强。y u - c h e n gl i n 等人【2 。】设计 了产生移动电场的阵列电极电泳芯片，对d n a 试样进行了分离，并采用有限元分 析软件模拟了不同阵列电极的施加方式所产生移动电场的分布情况及电极尺寸和 电极间距对所产生电场的影响。对单侧电极、双侧电极和组合电极所产生的电场 进行了详细的分析。李霞、温志渝、吴英等 2 1 , 2 2 基于实现芯片毛细管电泳低电压 分离的思想，建立了一种基于阵列电极的低电压电泳芯片分离模型，根据a n s y s 软件对该模型中微管道的电场模拟为基础，以分离管道侧壁排布电极并等间距施 加电压的方式作为模拟分析的模型，建立了低电压电泳的c o v e n t o r w a r e 有限元分 析实体模型。刘岗等人1 2 3 】论证了低电压分离的电泳芯片的分离效率和分离度与控 制次数、循环次数、分离电压、微电极阵列数、微电极间距以及被分离物质的淌 度有关。对这些参数与关系对分离效率及分离度的关系做了深入探讨，并对影响 分离效率及分离度的各个参数的计算机模拟。陈超等人幽】通过模拟计算和现有的 实验参数给出了低电压芯片的设计方案，包括芯片的设计、工艺制作、微机控制 系统以及初步实验结果，并在y u - - c h e n gl i n 等人提出用移动电场控制d n a 分离 的设计思想的基础上，根据理论模拟计算设计了线性分布的电极阵列。 1 3 本文的研究意义和研究内容 从芯片电泳的研究现状可以看出，随着芯片研究的深入及应用范围的不断扩 展，芯片集成度越高，管道网络设计就越复杂，对芯片设计的要求就越商，而目 前电泳芯片优化设计主要是靠实验方法，通过数学方法结合计算机模拟来辅助电 泳芯片的设计在近几年已越来越引起研究者的兴趣。借助计算机快速求解微管道 中电场及流场控制微分方程，可以在不消耗任何化学试剂的前提下，高效率的对 各操作参数及复杂的网络管道进行优化设计，不但可以弥补实验优化设计过程中 重庆大学硕士学位论文1 绪论 存在的高成本，周期长，操作技术要求高等缺点，还可以更好的了解微管道中的 流体传输机制，准确把握电泳芯片设计思路。但是电泳芯片发展的趋势是将复杂 样品体系要求的样品预处理、衍生反应、分离和检测等高度集成在同一片上，这 也就为芯片电泳的数学建模和求解不断的提出更高的要求。随着芯片电泳理论、 计算流体力学、量子化学及计算机技术的发展，数学模型的仿真程度、模拟计算 的速度和精度将不断提高，电泳芯片设计参数优化的准确度也会越来越接近实际 需要的水平。芯片电泳的理论和模拟研究，将大大减小只通过实验方法经验的确 定芯片设计参数的盲目性，计算机辅助电泳芯片设计将是电泳芯片合理设计的发 展趋势。 而目前芯片电泳的研究主要是将电泳技术移植到以硅片、玻璃、有机物等材 料为基片的芯片中，利用电泳系统较短的分离管道，在更高的场强下完成了快速、 高效的分离分析过程。但当微管道中之流体受到一外加电场作用驱动时，会产生 焦耳热，进而影响流场的物理特性【2 5 0 6 0 7 l ；而过去的研究多半忽略焦耳热效应对流 体的物理特性的影响；焦耳热效应对微尺度的芯片管道而言，已显得相当重要， 细微的温度上升，有可能使流场的物理特性( 例如密度、粘度等) 不均匀分布， 进而导致速度突然变快或变慢；更严重者，可导致缓冲溶液或分析物失去活性而 导致芯片的设计功亏一篑。 常规芯片工作电压高，制约了电泳芯片向集成化、便携式等方向发展。为了 解决高电源对芯片实验室的束缚，提出了低压方式驱动下的芯片电泳。低压电泳 芯片的基本思想是用阵列电极将分离管道分成许多小的分离区带，在一个或者几 个区带之间施加电压，这样可以在使用一个较低电压的情况下获得原来的场强。 将电泳芯片从工作电压高的困境中解放出来。本论文利用在分离管道上分段、交 替施加电压的模式，以形成运动的梯度电场的方法，建立低电压电泳芯片快速分 离的运动梯度场控制模型，探索利用微电子技术和分离分析技术实现一种低电压 分离分析过程，为实现真正的芯片实验室奠定一定的理论基础。这种低电压电泳 芯片不仅能满足生物化学、分子生物学、临床医学、环境监测等领域高新技术的 需求，而且在个人和家庭消费领域具有潜在的应用价值，其研究具有十分熏大的 科学技术意义和广泛的应用前景。 本文的主要内容是： 建立计算机辅助实验进行芯片结构设计及操作参数参数优化的方法，对芯 片结构参数与操作参数引起的焦耳热效应对芯片电泳分离效率的影响。 研究微观条件下电泳芯片的低电压快速分离的运动场理论，根据低电压芯 片电泳运动分离的理论模型，进行了运动场分离的实现方法的研究。 根据低电压芯片电泳分离模型，对其操作参数，分离场强、电压切换时间、 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电压施加范围等进行分析讨论。利用有限元软件进行计算机模拟，对低电压芯片 电泳微管道中微流体动力学特性进行了研究，对其操作参数进行了优化。 通过计算机模拟分析等到的优化参数，进行实验，验证了电泳芯片低电压 分离的可能性，同时实现了蛋白质的分离。 7 重庆大学硕士学位论文 2 微流体数值分析 2 微流体数值分析 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可采用离散化的数值计 算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形 成和发展的重要推动力之一。本研究采用二维稳态n a v i e r - s t o k e s 方程式与理想气 体方程式，探讨微管道中微流场动量及能量的变化，数值模拟工具利用利用 c o v e n t o r w a r e 软件软件包进行仿真，它是以有限元素法为基础的计算流体软件。 2 1 有限元素法 一般物理现象都可以用微分方程式来表示，但这些方程式不一定都有解析解， 因此须要运用不同的数值方法在借助适当的边界条件来求解。其中有限元素法 ( f i n i t ee l e m e n tn l e n l o m 是一种求解偏微分方程式的数值方法，随着个人计算机计算 功能的增强及内存的扩充促使有限元素法的应用领域越来越广泛；大多数固体、 流力、热传、以及结构设计等，都可以运用有限元素法分析或模拟。有限元素法 的基本原理是要把计算的区域分割成有限个分段连续的小区间，这些小区域称为 元素( e l e m e n t ) ，而这些元素彼此相互联接的点称做节点( n o d e ) 。在每一个元素中， 以代数方程式去近似所要求解的物理变量( 如速度、温度、压力等) ，最后再组合所 有元素之代数方程式成为一联立方程组，利用矩阵的形式求解联立方程组，以获 得整个物理区间之近似解。 2 2 有限元软件 现代科学的研究方法分为三种：即，理论研究方法，实验研究方法和科学计 算方法。而有限元方法是2 0 世纪中叶在电子计算机诞生之后，在计算数学，计算 力学和计算工程科学领域里最有效的计算方法。有限元计算结果已成为各类工业 产品设计和性能分析的可靠依据。经过4 0 年的发展不仅使各种不同的有限元方法 形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用 有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了整机，机械。水工，土建，桥梁， 机电，冶金，造船，宇航，核能，地震，物探，气象，水文，物理，力学，电磁 学以及国际工程等邻域众多的大型科学和工程计算难题，有限元软件已经成为推 动科技进步和社会发展的生产力，并取取得了巨大的经济和社会效益。利用数值 分析法并配合实验求解流体力学问题，有下列有点：可减少设计的时间可 以模拟一些实验方法中较不可能实现的情况可求解到较详尽的资料。 重庆人学硕士学位论文2 微流体数值分析 2 2 1c o v c n t o r w a r e 软件 c o v c n t o r 公司( 原m i c r o c o s mt c c l m o l c l g i c s ，i n e ) 成立于1 9 9 6 年，总部位于美 国c a r y , n c 她以m e m s 为核心业务，是全球第一家提供商业化m e m s 设计软件 的公司。著名的m e m c a d 软件是公司针对m e m s 设计、分析的第一个软件产品。 2 0 0 1 年，m i c r o c o s m 更名为c o v c n t o r 公司，其软件产品更名为c o v e n t o r w a r e 。目 前，在m e m s 设计软件市场，c o v e n t o r 公司占有8 0 的市场份额。这意味着c o v e n t o r 公司能在获取广泛用户需求的基础上，朝最有利于用户的方向拓展软件的功能和 提高公司的服务能力【2 8 】。 c o v e n t o rw a r e 包含四部分软件模块，a r c h i t e c t 、d e s i g n e r 、a n a l y z e r 和s y s t e mb u i l d e r ，提供了m e m s 产品设计过程所需的全部功能。软件模块配 置灵活，可以根据用户具体应用、开发队伍规模和开发所在阶段进行针对性的配 置。 采用c o v e n t o rw a r e 软件，m e m s 设计可按t o p d o w nd e s i g n ，b o t t o mu p v c r i f i c a t i o n 的方式进行。利用舢汇h i t e c t ，设计人员可以调用c o v c n t o r w a r e 软件 独有的p e m ，o p t i c a l ，f l u i d i c ，r f ，m a g n c t o - m e c h a r l i c s 结构，并可以结合周 围的电路，进行系统级的机、电、光、液、热、磁等能量域的分析。找到最优的 设计参数，在最短的时间内完成初步设计。利用初步设计得到的结构、尺寸和材 料等参数，a r c h r r e c t 自动产生版图和工艺文件。 在d e s i g n e r 里调用版图和工艺文件，c o v 锄t o r w a r e 软件可以生成m e m s 器件 的三维模型。针对关心的问题，分析人员可以调用a n a l y z e r 里相应的求解器对 m e m s 器件的三维模型进行详细的分析。 利用s y s t e mb u i l d e r ，设计人员可以从三维分析结果提取m e m s 器件宏模 型，反馈回a r c h i t e c t 里进行系统器件性能的验证，从而完成m e m s 的设计。同 时，用户也可以利用s y s t e mb u i l d e r 建立自己m e m s 产品涉及到的宏模型元件 库，为新产品的开发提供知识储备。 而我利用c o v c n t o rw a r e 软件主要是在微通道芯片的版图设计方面和对微流体 流过通道的仿真分析。用到d e s i g n e r 和a n a l ，y z e r 模块。a n a l y z e r 部分 进行微流场( m i c r o f l u i d i c s ) 的分析主要表现在流体方面诸性能，如：流速分 布、最大流速、各个方向压力分布、通道流体各部分内黏度的分析等。所以在芯 片设计中，我们主要应用软件的a n a j z e r 部分进行微流场( m i c r o f l u i d i c s ) 的 分析；用d e s i g n e r 模块对微通道阵列芯片进行版图的设计。 根据流体有限元分析步骤，在此基础上，我们设计了c o v c n t o r w a r c 软件的流 程结果框图如下： 9 重庆大学硕士学位论文 2 微流体数值分析 图2 1c o v e n t o r w a r e 软件流程结构框图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e c o v e n t o rw a r es o f t w a r e 2 2 2f e m l a b 软件 f e m l a b ( 2 0 0 2