PCR微流控芯片的数值模拟.pdfVIP

2005年10月 第三屠全瑶徽全分析系统学术会议论文集 湖北武汉 P隙微流控芯片的数值模拟 姚李英。，祁恒，陈涛，左铁匀II (北京工业大学激光工程研究院。北京100022) 1引言 PCR微流控芯片(ContinuousPCR Flow．throughChip)【1-2·3“5矗7】是一种新型的PCR技术， 其反应原理是：将PCR反应混合物在精密注射泵的作用下，以nl／s的流速注入到芯片上分别处于三 个恒温区的微通道内，通过控制微通道的长度，从而实现DNA的变性、复性和延伸。因此对于PCR 微流控芯片最重要的是其三个温区换热长度的计算，本文应用FEV法对微通道内微流体的速度场和 温度场进行了分析18一’1们，该结果有助于进行PCR微流控芯片的设计。 2PCR微流控芯片的数值模拟 根据进行PcR反应的原理，三个温区绝对 长度之比(变性940C：延伸720C：复性550C) 为4：9：4。另外文献[8，9，10]指出对于矩 形微通道，当横截面的深宽比为1：2时，微 通道内微流体的流阻最小，对流换热效率最 高。为此本文利用GAMBIT软件创建了如图1所 示的逶迤型微通道。直径为0．8mm的360度的 弯道。该模型接近实际的进行PCR反应的设计 结构。划分网格总数约为l×104个，最小体元 为10p．mx51．Lmx5p．m。然后应用FLUENT读取该工 程后，应用有限体元法迭代450次后，得到收 敛结果，所有残差都低于0．005。 图1 利用GAMBIT创建的逶迤型微通道 图2有温度场时心平面处速度场分布 图3 中心,lz嘶处温度场分布 通讯联系人：姚李英 14I 2005年10月 第三届全国徽全分析系统学术会议论文集 湖北武汉 在残差为0．005的条件下，对于有温度场时逶沲型通道内中心平厩处速度场分布见图2。通过分 析发现：经过不到1009m的过渡区，微流体充分发展成为层流，然后以恒定的温度场分布流经整个 微通道，弯道的形状对流体的流态没有明显的影响，流体在固体边界面上的速度为零，满足无滑边 界条件，微通道中心线处速度最大为0．034m／s。通过对图3分析发现，微流体经过大约659in的距 离，其温度由入口处的300K迅速升高到367K，然后以恒定的温度流经变性区；经过在变性区和退 火区的分界面时，经过大约不足659in的距离，其温度迅速下降到328K，然后以恒定的温度场流经 整个退火区；流经在退火区和扩增区的分界面时，经过不足65}tm的距离，其温度场迅速上升为345K， 然后以恒定的温度流经整个扩增区。 3结论 通过上述分析我们总结出规律如下： 1)微流体以0．02m／s的速度进入微通道后，经过大约1009m的距离，其型态充分发展成为层 流，流体越靠近微通道的中心速度越大，微流体在固体边界面上的速度为零，满足无滑边界 条件。 上升到367K，并以恒定的温度通过变性区。 3)微流体以0．02m／s的速度进入微通道后，其速度场充分发展成为层流的过渡区长度大于其温 度场达到稳态的长度。 4)360度的弯道对流体的型态无明显影响，流体仍然表现为层流。 参考文献： MartinU j ct deMello．AManza1．Science，1998．280：1046-1048． Kopp，Andrew et and QingmoZhang,Wmahui a1．Sensors 82：75·81． Wang．HongshenZhlmg Actuators．BIJ]．20027 J R RPoulsencta1．SensorsandActuators 10：3·1