芯片電泳DNA檢測裝置溫度控制系統(tǒng)熱仿真研究.pdf

1、微流控芯片電泳(Microchip Electrophoresis，MCE)近年來發(fā)展迅速，不同于傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳裝置，微流控芯片裝置可以集成多種不同毛細(xì)管和流體通道，為高通量、大規(guī)模并行分析提供了可能。高壓驅(qū)動(dòng)可以減少電泳時(shí)間，提高電泳的分離效率，但由此帶來的焦耳熱效應(yīng)也不可忽視。電泳過程中，首先控制電泳芯片達(dá)到設(shè)定溫度，之后接通電壓開始電泳分離，由于高壓產(chǎn)生的焦耳熱相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)熱源，干擾了溫度的穩(wěn)態(tài)，而通道內(nèi)溫度的升高或降低會(huì)影響溶液

2、黏度、電滲流、分析物的遷移時(shí)間和峰面積變化，并影響分離效率以及再現(xiàn)的穩(wěn)定性。因此設(shè)備內(nèi)溫度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制。
　　本論文對芯片電泳的熱現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在有限元的理論基礎(chǔ)上，用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建PDMS芯片電泳溝道模型和加熱元件仿真模型，研究了如下內(nèi)容:
　　(1)理論分析仿真模型涉及的溫度場、流場和電場的基本概念，分析加熱元件和芯片之間的熱傳導(dǎo)、環(huán)境與表面之間的熱對流，溝道溶液和溝道內(nèi)壁之間的耦合傳熱

3、、高溫元件的輻射散熱、溶液因高壓產(chǎn)生的焦耳熱等傳熱現(xiàn)象，建立電場、溫度場、流場多物理場耦合控制方程。
　　(2)構(gòu)建芯片電泳溝道仿真模型，研究外加電場存在下芯片溫度分布，包括溝道內(nèi)溫度分布和PDMS、玻璃基片溫度分布，計(jì)算溝道內(nèi)緩沖液焦耳熱產(chǎn)熱功率。研究分析外加電場強(qiáng)度、緩沖液濃度以及微流道尺寸對緩沖液焦耳熱產(chǎn)熱功率和芯片溫度分布的影響。仿真考慮了緩沖液電導(dǎo)率隨溫度變化的性質(zhì)。仿真結(jié)果顯示芯片溝道內(nèi)溫度分布為:在垂直方向呈現(xiàn)近PD

4、MS內(nèi)壁處溫度高，近玻璃內(nèi)壁處溫度低的狀態(tài)，整體溫度分布為中心最高，向溝道兩端延伸溫度逐漸降低。外加電場強(qiáng)度、緩沖液濃度以及溝道橫截面積的增加均會(huì)帶來焦耳熱功率的增加。溫度和焦耳熱功率密度呈線性關(guān)系，場強(qiáng)、緩沖液濃度一定的情況下，溝道尺寸對溝道產(chǎn)熱功率密度和溫度之間的關(guān)系沒有影響。分析從理論上證明了仿真溫度分布結(jié)果的合理性。
　　(3)構(gòu)建芯片電泳加熱元件仿真模型，觀察并對模型中影響溫度分布的一系列因素進(jìn)行了研究和討論，包括環(huán)境溫

5、度、對流換熱系數(shù)、儲(chǔ)液池尺寸、熱介質(zhì)層以及微流道尺寸。并實(shí)驗(yàn)測量不同熱源功率下的升溫速率，修正模型，驗(yàn)證模型的可靠性。仿真結(jié)果顯示，高導(dǎo)熱介質(zhì)層可以改善溝道流體溫度的均勻性。環(huán)境溫度和對流換熱影響芯片到達(dá)平衡的溫度。可以通過使用高熱導(dǎo)率介質(zhì)層、調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的方法，控制溝道流體的溫度均勻。
　?。?)結(jié)合分析加熱元件外熱源和焦耳熱內(nèi)熱源存在下的電泳芯片，設(shè)計(jì)控溫模型。模擬芯片電泳試驗(yàn)流程，首先通過分析不同外熱源功率下的溝道穩(wěn)態(tài)溫度和

6、升溫速率，設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)熱源占空比的控溫模型，將溝道溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定溫度。隨后在穩(wěn)定控制的電泳芯片中加入焦耳熱內(nèi)熱源，仿真調(diào)節(jié)外熱源占空比，降低焦耳熱的影響，實(shí)現(xiàn)溝道內(nèi)恒溫控制。
　　(5)本文通過仿真分析發(fā)現(xiàn)兩個(gè)對溫控有重要影響的因素:熱慣性和焦耳熱內(nèi)熱源。通過研究溫控仿真時(shí)溫度的瞬態(tài)發(fā)展變化，本文對芯片電泳溫控設(shè)計(jì)提出如下建議:需要改變溫度時(shí)，應(yīng)預(yù)先調(diào)節(jié)占空比，減小溫度變化?？梢詫⒔苟鸁嶙鳛閮?nèi)熱源，利用焦耳熱功率將溫度升到設(shè)定溫