集成毛细管电泳芯片电动进样数值模拟

论文摘要

集成毛细管电泳芯片是生物分析领域出现的一种新兴的分析装置,它具有快速、高效、节约样品和能用计算机处理存储分析结果等优点,在DNA序列分析、DNA片段分离、PCR产物分离分析及细胞分离等生物及医药领域得到越来越广泛的应用。 在集成毛细管电泳芯片的电泳分离中,首先要解决的问题就是驱动样品进入芯片内的分离沟道,目前解决这个问题的方法是采用电动进样技术来控制样品在微沟道内的流动模式。在样品、缓冲液以及电泳芯片的物理参数已经确定下来之后,施加在电极上的驱动电压组合将是决定流体流动模式的主要因素。因此,通过计算机数值模拟获得不同进样条件下的电势、速度场以及流场的分布情况,从而得知流体在微沟道内的流动情况,既可以避免盲目的实验尝试,提高实验效率;同时也可以为集成毛细管电泳芯片的版图设计提供有价值的参考依据。 本文首先在理论上分析了集成毛细管电泳电动进样系统的微观模型,研究了电场力驱动流体在微沟道内流动模式的规律;运用有限差分法建立了系统的计算机数值模型,并用涡量-流函数法得到了模型的结果;运用有限容积法建立了系统的另一个计算机数值模型,并用改进的压力耦合方程的半隐式法对模型进行了计算,得到了不同驱动电压组合时微沟道内的电势、速度场和流场的分布,其中流场分布直观的给出了沟道内流体的流动模式。利用第二种模型,模拟了进样和分离过程,从理论上总结了外加电压控制微沟道内流体运动的一般规律,得到了适用于电动进样过程的较好的电压组合。利用理论模拟的结果,设计了电动进样实验,获得了与理论计算结果吻合非常好的实验结果,从而验证了本文建立的集成毛细管电泳芯片电动进样数值模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 μTAS的分类
• 1.3 μTAS及微流控分析芯片的发展过程
• 1.4 芯片毛细管电泳进样技术
• 1.4.1 毛细管电泳芯片结构
• 1.4.2 芯片毛细管电泳进样系统
• 1.5 集成毛细管电泳芯片电动进样系统计算机模拟研究现状
• 1.6 本文的主要任务
• 2 芯片毛细管电泳理论
• 2.1 双电层和zeta电势
• 2.2 电泳
• 2.3 淌度
• 2.4 电渗流（electroosmotic flow，EOF）原理
• 2.4.1 EOF速度和流型
• 2.4.2 电渗流的影响因素和控制方法
• 2.5 集成毛细管电泳芯片控制方程
• 2.5.1 Laplace方程
• 2.5.2 Poisson-Boltzman方程
• 2.5.3 电渗流控制方程
• 3 集成毛细管电泳芯片电动进样计算机辅助模拟
• 3.1 可求解的集成毛细管电泳芯片电动进样系统模型
• 3.2 用离散化方法建立系统的数值模型
• 3.2.1 用有限差分法实现方程的线性化
• 3.2.2 划分有限差分网格
• 3.2.3 建立差分方程
• 3.3 用迭代法计算线性方程组
• 3.4 涡量-流函数法和改进的压力耦合方程的半隐式法（SIMPLER）
• 3.4.1 涡量-流函数法
• 3.4.2 改进的压力耦合方程的半隐式法
• 4 模拟结果和实验验证
• 4.1 zeta电势模拟结果
• 4.2 涡量-流函数法模拟结果
• 4.3 改进的压力耦合方程的半隐式法模拟结果
• 4.4 夹流进样的实验过程
• 4.4.1 实验设备及工作原理
• 4.4.2 实验试剂
• 4.4.3 实验过程
• 5 结论与展望
• 附录A 计算Laplace方程子程序
• 附录B 计算Poisson-Boltzman方程子程序
• 附录C Simpler法部分子程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书