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)毛細管電泳裝置，微流控芯片裝置可以集成多種不同毛細管和流體通道，為高通量、大規(guī)模并行分析提供了可能。高壓驅動可以減少電泳時間，提高電泳的分離效率，但由此帶來的焦耳熱效應也不可忽視。電泳過程中，首先控制電泳芯片達到設定溫度，之后接通電壓開始電泳分離，由于高壓產生的焦耳熱相當于一個內熱源，干擾了溫度的穩(wěn)態(tài)，而通道內溫度的升高或降低會影響溶液

2、黏度、電滲流、分析物的遷移時間和峰面積變化，并影響分離效率以及再現的穩(wěn)定性。因此設備內溫度應當嚴格控制。
　　本論文對芯片電泳的熱現象進行了研究，在有限元的理論基礎上，用COMSOL Multiphysics軟件構建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、環(huán)境與表面之間的熱對流，溝道溶液和溝道內壁之間的耦合傳熱

3、、高溫元件的輻射散熱、溶液因高壓產生的焦耳熱等傳熱現象，建立電場、溫度場、流場多物理場耦合控制方程。
　　(2)構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，包括溝道內溫度分布和PDMS、玻璃基片溫度分布，計算溝道內緩沖液焦耳熱產熱功率。研究分析外加電場強度、緩沖液濃度以及微流道尺寸對緩沖液焦耳熱產熱功率和芯片溫度分布的影響。仿真考慮了緩沖液電導率隨溫度變化的性質。仿真結果顯示芯片溝道內溫度分布為:在垂直方向呈現近PD

4、MS內壁處溫度高，近玻璃內壁處溫度低的狀態(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。外加電場強度、緩沖液濃度以及溝道橫截面積的增加均會帶來焦耳熱功率的增加。溫度和焦耳熱功率密度呈線性關系，場強、緩沖液濃度一定的情況下，溝道尺寸對溝道產熱功率密度和溫度之間的關系沒有影響。分析從理論上證明了仿真溫度分布結果的合理性。
　　(3)構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行了研究和討論，包括環(huán)境溫

5、度、對流換熱系數、儲液池尺寸、熱介質層以及微流道尺寸。并實驗測量不同熱源功率下的升溫速率，修正模型，驗證模型的可靠性。仿真結果顯示，高導熱介質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平衡的溫度。可以通過使用高熱導率介質層、調節(jié)環(huán)境溫度的方法，控制溝道流體的溫度均勻。
　?。?)結合分析加熱元件外熱源和焦耳熱內熱源存在下的電泳芯片，設計控溫模型。模擬芯片電泳試驗流程，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，設計了調節(jié)熱源占空比的控溫模型，將溝道溫度穩(wěn)定控制在設定溫度。隨后在穩(wěn)定控制的電泳芯片中加入焦耳熱內熱源，仿真調節(jié)外熱源占空比，降低焦耳熱的影響，實現溝道內恒溫控制。
　　(5)本文通過仿真分析發(fā)現兩個對溫控有重要影響的因素:熱慣性和焦耳熱內熱源。通過研究溫控仿真時溫度的瞬態(tài)發(fā)展變化，本文對芯片電泳溫控設計提出如下建議:需要改變溫度時，應預先調節(jié)占空比，減小溫度變化?？梢詫⒔苟鸁嶙鳛閮葻嵩?，利用焦耳熱功率將溫度升到設定溫