低电压电泳过程的参数优化和分析效能的模拟分析

论文摘要

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(Coventor Ware)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Coventor Ware有限元分析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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 计算机模拟技术与芯片研究
• 1.2.2 芯片上焦耳热的研究
• 1.2.3 低电压芯片电泳的研究进展
• 1.3 本文的研究意义和研究内容
• 2 微流体数值分析
• 2.1 有限元素法
• 2.2 有限元软件
• 2.2.1 Coventor Ware 软件
• 2.2.2 FEMLAB 软件
• 2.2.3 ANSYS 软件
• 2.3 传统有限元流体分析软件的局限性
• 2.4 微流体数学模型
• 2.5 微流体分析要求
• 3 芯片电泳的焦耳热计算
• 3.1 引言
• 3.2 芯片电泳焦耳热计算原理
• 3.3 电泳芯片实体模型
• 3.4 影响芯片电泳焦耳热的结构参数
• 3.4.1 芯片宽度
• 3.4.2 芯片绝缘层的设计
• 3.4.3 电泳芯片的材质选择
• 3.5 影响芯片电泳焦耳热的电泳操作参数
• 3.5.1 分离场强
• 3.5.2 缓冲溶液的种类
• 3.6 芯片管道径向、轴向温度
• 3.7 焦耳热对芯片电泳分离效率的影响
• 4 低电压电泳芯片的计算
• 4.1 引言
• 4.2 低电压电泳芯片的运动梯度场思想
• 4.3 低电压运动梯度场模型
• 4.4 低电压电泳芯片的实体模型
• 4.5 低电压电泳芯片的分离效率
• 4.6 低电压芯片微管道内电场的计算
• 4.6.1 芯片绝缘层厚度对微管道内电场的影响
• 4.6.2 芯片电极间距对微管道内电场的影响
• 4.6.3 芯片绝缘层材料对微管道内电场的影响
• 4.7 低电压电泳芯片流场的计算
• 4.7.1 简单离子的分离
• 4.7.2 氨基酸样品的分离
• 4.7.3 蛋白质的分离
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录