微流控芯片门进样过程仿真.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date微流控芯片门进样过程仿真微流控芯片门进样过程仿真微流控芯片门进样过程仿真16120901班 20092358 谢芬霏一、 实验原理 微流控芯片电泳是在玻璃、石英、硅、塑料等芯片的微细通道或色谱柱中，以电场做为驱动力，借助于离子或分子在电迁移或分配行为上的差别，对复杂试样中的多种组分进行陕速分离的分析技术。它是以毛细管电泳为核心技术、以芯片为操作平台迅速发展起来的，并且

2、成为微全分析系统和芯片实验室的主流技术”。微流控芯片电泳主要的进样方式有流体力学进样和电进样进样。流体力学进样方式具有一般的进样精度，但进样装置较复杂，不易操作，重现性较差；电动力进样方式主要包括悬浮进样、收缩进样和门进样。这种进样方式较易操作控制，附加设备少，因此使用较为普遍。其中，不同于悬浮进样和压缩进样的进样量取决于十字交叉处的体积大小决定，而门进样不需要改变通道结构，通过改变电场强度以及加电进样的时间，即可调节进样量，所以在分离分析低浓度样品时，门进样方式具有优势。在目前文献报道的微流控芯片电泳分离系统中，按试样引入装置的结构不同，试样引入系统主要可分为固定贮液池式、流通池式、取样探针

3、式三种，其中基于固定贮液池的试样引入系统是目前芯片毛细管电泳系统以及各种微流控系统中采用最多的系统。但是实验发现，进样量越多，或者随着电泳进行较长时间，不同储液池中液体的液面高度差增大，因此压力流的影响逐渐增大。 微流控芯片（microfluidic chip）是当前微全分析系统（Miniaturized Total Analysis Systems）发展的热点领域。微流控芯片分析以芯片为操作平台, 同时以分析化学为基础,以微机电加工技术为依托,以微管道网络为结构特征,以生命科学为目前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展的重点。它的目标是把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分

4、离、检测等集成在微芯片上,且可以多次使用；微流控芯片是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构（通道、反应室和其它某些功能部件）至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。因此发展出独特的分析产生的性能；微流控芯片的特点及发展优势：微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程；其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标芯片实验室；目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域 。COMSOL

5、Multiphysics 软件：COMSOL Multiphysics的图形介面赋予每一个参数适合的单位，使用者可以从九种常用工程单位系统中选择，以便出现一致性的单元标籤在所有的对话框，资料输入区及后处理对话框。针对流固介面及几合参数的移动网格：Moving Mesh模式开拓全新的建模领域，允许COMSOL Multiphysics 容易地模拟移动几何，例如: 在MEMS、压电及生物学的应用:如自由液面及自然波动影响。使用者定义运动的形态，例如: 强大水流衝击弹性阻碍物产生的挠度或气体或甚至液体在槽中搅动。结合移动网格引擎的是几何参数有了这个功能，描述改变的几何不再需要於script file

6、建立迴路。解决大型问题：新的求解器可更快速的解决大型问题，例如: Navier-Stokes方程式归功於新的多重格点技术，可解决比过去10倍大的流体流动问题。改善的记忆体管理技术，移除对连续记忆体配置的需求瓶颈，使得暂态问题可以如稳态问题一样的大小。内建多重物理的应用模式使更快更容易建立常见的耦合物理模型，包含: 电和热、流体和热、流体和化学及热和结构影响。因为这些结合已经建立，所以建模过程中，就如单一物理的问题一样简单了。时域电磁波模拟：COMSOL Multiphysics全力研发唯一以有限元素为基础来执行时域电磁波模拟的软体，这个特点是非常有用的，例如: 当模拟如雷达或高功率非线性光场等

7、脉衝波时，软体只要一个步骤就可执行频率扫瞄，且互动式后处理可以展现一个波随时间的传播或或反射，更进一步的，软体可以同时提供时间和频率区域电磁波的耦合分析。最后，新的时域分析及波型种类让使用者直接输入係数及参数进入波方程式，解决问题就变得很有效率，另一个相关的功能，是提供存取如总体RLC参数的功能。 本实验中，采用COMSOL Multiphysics 软件和仿真模拟微流控芯片门进样过程。在实验中采用三场耦合，即不可压缩Navier-Stockes（mmglf）模拟流动，电动流（chekf）模拟样本在电场下的移动，传导介质DC(emdc)模拟电场。建模时需要分析各场数学模型，明确模型的类型和模型

8、之间变量依赖关系；确定变量量级和求解域规模。二、实验步骤和方法一）软件：COMSOL MULTIPHYSICS 3.5二）具体步骤：1、首先打开COMSOL Multiphysics3.5软件，会出现如下图的对话框：建立由传导介质DC（emdc）、不可压缩Navier-Stokes(mmglf)和电动流（chekf）组成的多物理场（如上图）。2、建立如下数学模型（做出两矩形，将两矩形耦合，删除内部边界）：将模型进行网格划分：3、求解域设定：求解域设定电动流设定值 D0:1e-11；Um：2e-15；u=u；v=v；V=0。4、边界设定不可压缩设定值：1、7为进口，速度U0=1e-4m/s；5、

9、12为出口，压力，粘滞应力P0=0Pa。边界设定电动流设定值：1进口浓度c0=1mol/m3,7进口浓度c0=0mol/m3；5、12出口设置为对流通量；其他边界为绝缘/对称。5、 求解：先对不可压缩（mmglf）求解，初始值设为“初始值表达式”，点变量值不可解和线性化设置为“从初始值使用设定”；求解完毕后再对电动流（即浓度）求解，点变量不可解和线性化设置为当前解。6、改变求解域设定：求解域设定电动流设定值：u=0；v=0；V=V。7、改变边界条件设置：将边界设定电动流各顶边改定为“通量”，N0=（-nmflux_c_chekf）mol/(m2*s)。边界设定传导介质设定过程：将模型所有边界设为电绝缘；1边改为“电位能”，V0=10V；5、7、12边改为“接地”。8、求解器参数：全部改为瞬态，时间为：0，0.01，19、求解：先对传导介质V求解，再对浓度c求解。对浓度求解时，要将初始值设为当前解，因为是在上一步的基础上进行求解。10、（1）改变边界条件 边界条件传导介质：1边电位能改为0V，7边为30V； （2）改变求解域设定值 求解域设定的条件时间改为0，0.05,5。11、 求解：先对传导介质DC求解，再对浓度c求解。三、实验结果 -