核酸检测微流控芯片的建模与仿真研究

发布时间：2020-05-17 05:48

【摘要】：随着微全分析系统的集成化、自动化和微型化的发展,微流控芯片在疾病诊断、生化分析、临床检测等领域获得了普遍关注。微全分析系统将不同功能的芯片集成在一块微流控芯片上,自动化的完成样品制备、反应、分离、检测等操作,是实现分析实验室集成化的有效途径之一。微流控芯片技术在核酸检测中有极强的应用前景,微混合器和磁珠捕获是核酸检测微流控芯片的主要功能,溶液混合效率和磁珠捕获率能够提高微流控芯片的检测精度。本文针对实验室研制的核酸检测微流控芯片,对微混合单元和核酸提取单元进行优化设计。通过计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的数值模拟法对通道内的流场分布、溶液混合机理和磁泳分离的影响因素进行有限元分析。首先,根据流体动力学和对流扩散理论,建立微混合器的二维动力学模型,使用COMSOL Multiphysics进行数值仿真,分析入口流速、扩散系数等参数对混合的影响;改变微混合器的混合方式,得到脉冲型和内置阻块型微混合器的混合效果。核酸提取根据磁泳分离原理分析磁珠的受力和运动方程,建立磁场和流场共同作用下磁珠的二维几何模型和数值模型。对流场模型和磁场模型进行数值仿真,得到不同磁场分布下磁珠的运动特性及永磁体剩余磁通密度、入口速度和磁化率对磁珠捕获的影响。通过对核酸检测微流控芯片的数值仿真,得出流体混合以及磁珠捕获率的影响因素,结论如下:(1)T型直通道微混合器利用溶液的扩散作用进行混合,流速u=0.5mm/s时,单位时间内的流量较大且溶液完全混合,混合效果最好。对于脉冲型微混合器,入口流速为200mm/s、扩散系数大于5e-10m~2/s、P/W=1时,脉冲型微混合器的混合效果最好。对于内置阻块型微混合器,数值模拟了扩散系数为1e-9m~2/s、微细通道宽度为50μm、阻块宽度为20μm和入口流速分别为0.05mm/s、5mm/s、500mm/s时,障碍物高度改变对微混合器混合效果的影响。内置阻块型微混合器的混合性能最优的结构模型是:障碍物高度h1=10μm、h2=80μm的微混合器,微混合器的在高速下可实现高效的混合。(2)磁珠捕获的研究结果表明:磁体高宽比h/w越大,磁体内部的磁通密度值越大且分布越均匀。当h/w从0.5增加至6时,极性相同磁体的捕获率范围为26.7%~100%;极性相反和单磁体的磁珠捕获率最大值分别为63.3%和53.3%。双磁体的磁化方向对捕获率的影响为:h/w2时,极性相反的磁珠捕获率较大;否则小于极性相同的捕获率。通过仿真计算,入口流速在1mm/s~2cm/s之间时,磁珠捕获率随流速的增加而减小;磁珠捕获率随剩余磁通密度和磁珠磁化率的增大而增加。根据以上仿真结果,能够指导核酸检测微流控芯片的优化设计,并用于核酸检测实验指导溶液的混合以及优化磁珠使用量,从而提高微流控芯片检测核酸相关疾病的效率。
【图文】：

微流控芯片,结构示意图

河南科技大学硕士学位论文1.2 国内外研究现状1.2.1 核酸检测微流控芯片的研究现状目前，核酸在微流控芯片中的研究主要包括核酸提取[15-16]、核酸检测以及核酸扩增[17]。为了实现核酸的高灵敏度检测，袁浩钧等人[18]设计了如图 1-1（a）所示的由聚二甲基硅氧烷（PDMS）模块和玻璃腔构成的新型液滴式数字聚合酶链式反应（ddPCR）芯片，芯片结构中的玻璃腔用来存储液滴，该芯片检测的灵敏度可达到 0.0001%。田庆常博士[19]设计了一种用于核酸纯化扩增及检测一体化的数字 PCR 微流控芯片，该微流控芯片利用注射器提供的负压能够实现样品进样，并能完成数字PCR 反应，芯片结构如图 1-1（b）所示。

微混合器,压力扰动

第 1 章绪论改变通道内流体的流动状态，使流体产生自我扰动和相互交叉穿透，从而减小溶液的混合距离和增加流体间接触面积[22-23]。主动式微混合器是依靠电场、磁场等外部能量扰乱通道内的流体流动，微通道内流体发生紊乱，改善混合效果。1.2.2.1 主动式微混合器(1) 压力扰动微混合器压力扰动式微混合器的原理是在设置速度扰动流放置在微通道的两侧，Ma等人[24]为了研究低雷诺数下两种溶液的非稳态混合，设计和数值模拟一种压力扰动式微混合器，采用速度的线性叠加极大地简化了求解标量物种浓度方程的场。模拟结果显示：在 St=0.42、混合距离为 3mm 时，，该混合器的混合效率可达到 75%。Niu 等人[25]设计了一种如图 1-2 所示的多测通道的压力扰动微混合器，通过泵对流体进行搅拌，由压力扰动源[26]驱动流体按照正弦函数流动，该方法极大地减小了微混合器的混合长度。
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH776;TN492

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