【摘要】：隨著微全分析系統(tǒng)的集成化、自動化和微型化的發(fā)展,微流控芯片在疾病診斷、生化分析、臨床檢測等領(lǐng)域獲得了普遍關(guān)注。微全分析系統(tǒng)將不同功能的芯片集成在一塊微流控芯片上,自動化的完成樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等操作,是實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗室集成化的有效途徑之一。微流控芯片技術(shù)在核酸檢測中有極強(qiáng)的應(yīng)用前景,微混合器和磁珠捕獲是核酸檢測微流控芯片的主要功能,溶液混合效率和磁珠捕獲率能夠提高微流控芯片的檢測精度。本文針對實(shí)驗室研制的核酸檢測微流控芯片,對微混合單元和核酸提取單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過計算流體力學(xué)(CFD,Computational Fluid Dynamics)的數(shù)值模擬法對通道內(nèi)的流場分布、溶液混合機(jī)理和磁泳分離的影響因素進(jìn)行有限元分析。首先,根據(jù)流體動力學(xué)和對流擴(kuò)散理論,建立微混合器的二維動力學(xué)模型,使用COMSOL Multiphysics進(jìn)行數(shù)值仿真,分析入口流速、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)對混合的影響;改變微混合器的混合方式,得到脈沖型和內(nèi)置阻塊型微混合器的混合效果。核酸提取根據(jù)磁泳分離原理分析磁珠的受力和運(yùn)動方程,建立磁場和流場共同作用下磁珠的二維幾何模型和數(shù)值模型。對流場模型和磁場模型進(jìn)行數(shù)值仿真,得到不同磁場分布下磁珠的運(yùn)動特性及永磁體剩余磁通密度、入口速度和磁化率對磁珠捕獲的影響。通過對核酸檢測微流控芯片的數(shù)值仿真,得出流體混合以及磁珠捕獲率的影響因素,結(jié)論如下:(1)T型直通道微混合器利用溶液的擴(kuò)散作用進(jìn)行混合,流速u=0.5mm/s時,單位時間內(nèi)的流量較大且溶液完全混合,混合效果最好。對于脈沖型微混合器,入口流速為200mm/s、擴(kuò)散系數(shù)大于5e-10m~2/s、P/W=1時,脈沖型微混合器的混合效果最好。對于內(nèi)置阻塊型微混合器,數(shù)值模擬了擴(kuò)散系數(shù)為1e-9m~2/s、微細(xì)通道寬度為50μm、阻塊寬度為20μm和入口流速分別為0.05mm/s、5mm/s、500mm/s時,障礙物高度改變對微混合器混合效果的影響。內(nèi)置阻塊型微混合器的混合性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型是:障礙物高度h1=10μm、h2=80μm的微混合器,微混合器的在高速下可實(shí)現(xiàn)高效的混合。(2)磁珠捕獲的研究結(jié)果表明:磁體高寬比h/w越大,磁體內(nèi)部的磁通密度值越大且分布越均勻。當(dāng)h/w從0.5增加至6時,極性相同磁體的捕獲率范圍為26.7%~100%;極性相反和單磁體的磁珠捕獲率最大值分別為63.3%和53.3%。雙磁體的磁化方向?qū)Σ东@率的影響為:h/w2時,極性相反的磁珠捕獲率較大;否則小于極性相同的捕獲率。通過仿真計算,入口流速在1mm/s~2cm/s之間時,磁珠捕獲率隨流速的增加而減小;磁珠捕獲率隨剩余磁通密度和磁珠磁化率的增大而增加。根據(jù)以上仿真結(jié)果,能夠指導(dǎo)核酸檢測微流控芯片的優(yōu)化設(shè)計,并用于核酸檢測實(shí)驗指導(dǎo)溶液的混合以及優(yōu)化磁珠使用量,從而提高微流控芯片檢測核酸相關(guān)疾病的效率。
【圖文】：

河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 核酸檢測微流控芯片的研究現(xiàn)狀目前，核酸在微流控芯片中的研究主要包括核酸提取[15-16]、核酸檢測以及核酸擴(kuò)增[17]。為了實(shí)現(xiàn)核酸的高靈敏度檢測，袁浩鈞等人[18]設(shè)計了如圖 1-1（a）所示的由聚二甲基硅氧烷（PDMS）模塊和玻璃腔構(gòu)成的新型液滴式數(shù)字聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（ddPCR）芯片，芯片結(jié)構(gòu)中的玻璃腔用來存儲液滴，該芯片檢測的靈敏度可達(dá)到 0.0001%。田慶常博士[19]設(shè)計了一種用于核酸純化擴(kuò)增及檢測一體化的數(shù)字 PCR 微流控芯片，該微流控芯片利用注射器提供的負(fù)壓能夠?qū)崿F(xiàn)樣品進(jìn)樣，并能完成數(shù)字PCR 反應(yīng)，芯片結(jié)構(gòu)如圖 1-1（b）所示。

第 1 章 緒論改變通道內(nèi)流體的流動狀態(tài)，使流體產(chǎn)生自我擾動和相互交叉穿透，從而減小溶液的混合距離和增加流體間接觸面積[22-23]。主動式微混合器是依靠電場、磁場等外部能量擾亂通道內(nèi)的流體流動，微通道內(nèi)流體發(fā)生紊亂，改善混合效果。1.2.2.1 主動式微混合器(1) 壓力擾動微混合器壓力擾動式微混合器的原理是在設(shè)置速度擾動流放置在微通道的兩側(cè)，Ma等人[24]為了研究低雷諾數(shù)下兩種溶液的非穩(wěn)態(tài)混合，設(shè)計和數(shù)值模擬一種壓力擾動式微混合器，采用速度的線性疊加極大地簡化了求解標(biāo)量物種濃度方程的場。模擬結(jié)果顯示：在 St=0.42、混合距離為 3mm 時，，該混合器的混合效率可達(dá)到 75%。Niu 等人[25]設(shè)計了一種如圖 1-2 所示的多測通道的壓力擾動微混合器，通過泵對流體進(jìn)行攪拌，由壓力擾動源[26]驅(qū)動流體按照正弦函數(shù)流動，該方法極大地減小了微混合器的混合長度。
【學(xué)位授予單位】：河南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH776;TN492

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本文編號：2668043