仿真技術(shù)在基因芯片雜交儀微流路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

魯茗莉，陳 瑋，程 鵬

仿真技術(shù)在基因芯片雜交儀微流路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

魯茗莉，陳 瑋，程 鵬

目的：為了加快基因芯片技術(shù)的推廣和應(yīng)用，研制一種集基因芯片清洗、溫育、雜交等于一體的新型儀器，使整個(gè)過程可在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)完成。方法：借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）技術(shù)，針對(duì)基因雜交儀微流路模塊進(jìn)行建模；借助計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)，應(yīng)用CFX軟件建模分析得到不同流路方式的液流情況；對(duì)固架承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到其承載分布情況；對(duì)電加熱模塊進(jìn)行熱-固耦合分析，得到微流路模塊熱應(yīng)力情況。結(jié)果：仿真技術(shù)為微流路設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)，從而更高效地設(shè)計(jì)出了滿足實(shí)驗(yàn)流程的基因芯片雜交、清洗微流路模塊，避免了結(jié)構(gòu)工藝因素的影響，使得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加科學(xué)可信。結(jié)論：運(yùn)用仿真技術(shù)完成對(duì)微流路模塊的設(shè)計(jì)研究，可以有效地縮短開發(fā)周期、節(jié)省試驗(yàn)成本，對(duì)于該類產(chǎn)品的試制與性能測(cè)試具有一定的參考意義。

基因芯片；雜交；熱-固耦合；CFD；CFX

0 引言

基因芯片[1]集成了探針固相原位合成技術(shù)、高分子合成技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和微光顯現(xiàn)技術(shù)，可有效地對(duì)雜交信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、靈敏、準(zhǔn)確的檢測(cè)分析?；蛐酒夹g(shù)已經(jīng)成為生物化學(xué)與分子生物學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的研究工具，廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物篩選、食品衛(wèi)生監(jiān)督、國(guó)防等許多領(lǐng)域。國(guó)外的多家大公司及政府機(jī)構(gòu)均對(duì)此表現(xiàn)出很大的興趣，并投以可觀的財(cái)力。我們國(guó)家的生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)乃至精密機(jī)械科學(xué)的工作者在該領(lǐng)域也取得了巨大成就。然而，基因芯片高通量的性質(zhì)也使得基因芯片的結(jié)果容易受到實(shí)驗(yàn)過程中樣品標(biāo)記、預(yù)雜交、雜交及片基清洗等因素的影響[2]。

基因芯片雜交過程要求比較嚴(yán)格，預(yù)處理技術(shù)對(duì)其推廣普及具有重要意義，但這方面的研究報(bào)道比較少。傳統(tǒng)的基因芯片雜交過程是在封閉的雜交盒中，將標(biāo)記好的樣品點(diǎn)到基因芯片陣列表面，恒溫下靜置12～17 h，進(jìn)行芯片雜交[3]。在芯片雜交過程中，由于液體中不同成分未進(jìn)行充分混勻反應(yīng)，會(huì)造成樣品液滴在基因芯片表面不均勻。同時(shí)，由于操作過程需要大量人工干預(yù)，且完成檢測(cè)需要消耗大量時(shí)間，整個(gè)過程可能會(huì)產(chǎn)生各種誤差，影響了基因芯片技術(shù)的推廣使用。為此，我們提出一種清洗、加樣和溫育混勻模塊化雜交方法，通過微流路實(shí)現(xiàn)對(duì)同一陣列芯片進(jìn)行清洗、溫育、雜交等多種連續(xù)操作，將樣品與芯片探針置于動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行雜交，確保單位體積內(nèi)的樣品與單位面積的陣列反應(yīng)的概率相同，使得到的芯片數(shù)據(jù)更科學(xué)。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是通過類比或經(jīng)驗(yàn)來完成，設(shè)計(jì)思路保守，留有余量大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，影響到系統(tǒng)整體方案的實(shí)施。為了確保新方案的有效實(shí)施，必須采用高效快捷準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）技術(shù)，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

基因芯片雜交儀的總體設(shè)計(jì)思路是：借助CAD系統(tǒng)，基于實(shí)際工況進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)。借助CAE系統(tǒng)對(duì)微流路進(jìn)行流體仿真分析，對(duì)基因芯片固定架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和熱-應(yīng)力耦合分析，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，為設(shè)計(jì)人員提供依據(jù)和參考。從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期[4]。圖1為基因雜交儀三維樣機(jī)圖，圖2為基因雜交儀實(shí)物圖。

圖1 基因雜交儀三維模型圖

圖2 基因雜交儀實(shí)物圖

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)開發(fā)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%，但卻影響產(chǎn)品整個(gè)成本的70%[5]。利用仿真技術(shù)完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能參數(shù)分析，其顯著優(yōu)點(diǎn)是縮短研發(fā)周期，降低試驗(yàn)成本，便于實(shí)施多方案的比較。

基因芯片雜交儀設(shè)計(jì)工作的核心是處理基因芯片微流路模塊部分，即高度集成的微型樣品處理系統(tǒng)。根據(jù)基因芯片雜交的流程原理，處理基因芯片微流路模塊，使其具有清洗、溫育和雜交一體化的特點(diǎn)。對(duì)這一模塊進(jìn)行多方案對(duì)比分析，優(yōu)選最佳微流路模塊，對(duì)于提高基因芯片雜交儀工作的穩(wěn)定性和可靠性十分必要。

1 CFX軟件分析計(jì)算

基因雜交儀微流路模塊是完成清洗、溫育和雜交的關(guān)鍵模塊，要求各陣列區(qū)內(nèi)液體流量、流速和溫度等參數(shù)盡可能相同。為使微流路模塊滿足這一要求，分別設(shè)計(jì)了2種液體流路方式，通過計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真分析，可以顯示液體在流場(chǎng)中的運(yùn)行軌跡。通過流場(chǎng)建模仿真方法，能預(yù)測(cè)液體流場(chǎng)性能并指導(dǎo)改變各參數(shù)，以便達(dá)到最佳效果。經(jīng)CFD仿真分析后，可以深刻地理解所設(shè)計(jì)流路問題產(chǎn)生的機(jī)理，指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作，從而節(jié)省人力、物力和時(shí)間，并有助于整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和總結(jié)規(guī)律等[6]，提升整機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

本文采用ANSYS-CFX軟件對(duì)微流路模塊進(jìn)行仿真分析。CFX是全球第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD軟件，由英國(guó)AEA Technology公司開發(fā)。2003年，CFX軟件被ANSYS公司收購(gòu)。和大多數(shù)CFD軟件不同，CFX除了可以使用有限體積法外，還采用了基于有限單元的有限體積法。作為世界上唯一采用全隱式耦合算法的大型商業(yè)軟件，其算法上的先進(jìn)性、豐富的物理模型和前后處理的完善性使ANSYS-CFX在結(jié)果的精確性、計(jì)算穩(wěn)定性、計(jì)算速度和靈活性上都有優(yōu)異的表現(xiàn)[7]。

1.1 微流路模塊前處理

采用PROE軟件構(gòu)建微流路模塊三維仿真分析模型，PROE與ANSYS軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口，可有效避免格式轉(zhuǎn)換所造成的信息丟失或模型缺損。

按實(shí)際模型進(jìn)行三維建模，確保模擬仿真結(jié)果更加接近實(shí)際工作情況，2種用于分析的模型如圖3、4所示。

圖3 獨(dú)立通道微流路三維模型圖

圖4 共用通道微流路三維模型圖

圖3中的各陣列液路為獨(dú)立單元，對(duì)其中一路進(jìn)行仿真分析即可，構(gòu)建出用于CFX分析的三維模型，如圖5所示。

圖5 獨(dú)立通道微流路CFX分析三維模型圖

圖4中的各陣列液路互相關(guān)聯(lián)，對(duì)其整體建模進(jìn)行仿真分析，構(gòu)建出用于CFX分析的三維模型，如圖6所示。

圖6 共用流路通道微流路CFX分析三維模型圖

三維模型構(gòu)建完成后，可直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。對(duì)于管道內(nèi)的液體，當(dāng)流動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，會(huì)對(duì)管壁施加壓力，在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)做加密處理，從而使分析結(jié)果更加精確。構(gòu)建有限元模型如圖7、8所示。

其中，流體材料設(shè)置為水。用CFX對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，流場(chǎng)的設(shè)置主要是對(duì)水的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，例如溫度、密度、傳熱系數(shù)等。微流路模塊采用固定約束，流體以5m/s的速度流進(jìn)入口，出口處相對(duì)壓力為0 Pa，流固耦合面設(shè)定為WALL[8]。

圖7 獨(dú)立通道微流路CFX分析有限元模型圖

圖8 共用通道微流路CFX分析有限元模型圖

1.2 微流路模塊流-固耦合分析

本文所選的是k-Epsilon流體方程模型，選取室溫條件和isothermal熱傳遞模式。計(jì)算后得出2種微流路方案流體流動(dòng)變化云圖，如圖9、10所示。

圖9 獨(dú)立通道微流路CFX云圖

圖10 共用通道微流路CFX云圖

圖11 獨(dú)立通道微流路對(duì)陣列模塊清洗效果

圖12 共用通道微流路對(duì)陣列模塊清洗效果

通過上面的仿真分析可以清晰了解到，在液路管徑變化處液流速度有變化，獨(dú)立通道微流路模塊能達(dá)到8.917 m/s，各陣列模塊操作一致性好；共用通道微流路模塊能達(dá)到6.8m/s，共用通道微流路模塊沿流動(dòng)方向速度漸變，進(jìn)入各陣列中的液體量不同，各陣列模塊的操作一致性差。具體實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果如圖11、12所示。

盡管獨(dú)立通道微流路模塊的連接管線更復(fù)雜，但基因芯片陣列區(qū)的液流覆蓋面更均勻，各陣列區(qū)清洗過程中差異更小，更能保證基因芯片雜交、清洗的可靠性和穩(wěn)定性，具體設(shè)計(jì)工作應(yīng)以此為依據(jù)。

2 強(qiáng)度分析

利用有限元分析軟件對(duì)鉆機(jī)工作裝置導(dǎo)向架進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得導(dǎo)向架的應(yīng)力及位移分布，找出應(yīng)力集中點(diǎn)與主要應(yīng)變部位，為設(shè)計(jì)后期對(duì)導(dǎo)向架的改進(jìn)提供了依據(jù)。對(duì)導(dǎo)向架進(jìn)行模態(tài)分析，提取了導(dǎo)向架水平位置時(shí)的固有頻率與振型，獲得較為直觀的結(jié)論，為優(yōu)化導(dǎo)向架提供了依據(jù)。同時(shí)也明確了鉆機(jī)在工作過程中應(yīng)避免的危險(xiǎn)頻率，以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架三維模型的建立

微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架是保證清洗、雜交液路密封的關(guān)鍵。微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架如圖13所示。

圖13 微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架模型圖

根據(jù)基因芯片預(yù)處理的設(shè)計(jì)要求，通過CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架三維幾何模型?；蛐酒潭ò惭b結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為層壓式壓緊密封結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)框架結(jié)構(gòu)為主要施加壓力部件，為確保其結(jié)構(gòu)更加合理，本文通過ANSYS靜強(qiáng)度分析模塊對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，為設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。分析用內(nèi)框架結(jié)構(gòu)三維模型如圖14所示。

圖14 微流路模塊內(nèi)框架三維模型圖

2.2 微流路模塊固定架有限元分析

線性靜力結(jié)構(gòu)分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。根據(jù)基因芯片的實(shí)際工況，添加施力載荷與邊界條件：（1）約束銷軸孔面、銷軸3個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）為確保液路密封，內(nèi)框架施加50N垂直向下壓力；（3）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限單元網(wǎng)格。

內(nèi)框架采用輕質(zhì)硬鋁合金，密度為2 770 kg/m3，泊松比為0.33，彈性模量為71GPa。更新網(wǎng)格，添加邊界條件，完成后的有限元模型如圖15所示。

圖15 內(nèi)框架有限元模型

內(nèi)框架有限元網(wǎng)格采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，這一有限單元可保證計(jì)算的足夠精確性。劃分完成后網(wǎng)格的單元數(shù)為11 810，節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 828。隨后進(jìn)行施力載荷與約束邊界條件的添加。

ANSYS后處理模塊對(duì)內(nèi)框架有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算后，得出其應(yīng)力分布情況如圖16所示，應(yīng)變分布如圖17所示。

圖16 內(nèi)框架應(yīng)力云圖

圖17 內(nèi)框架變形云圖

通過上面的計(jì)算我們可以分析出，由于壓應(yīng)力相對(duì)較小，內(nèi)框架靠近中部4個(gè)面受力最大，其最大值為17.1MPa，遠(yuǎn)低于鋁合金的屈服強(qiáng)度300MPa。最大變形量為外部4個(gè)面，最大變形量為0.02mm，整體承力變形較小，滿足設(shè)計(jì)要求，還可以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3 熱-固耦合分析

在基因芯片雜交過程中，將樣品點(diǎn)到芯片陣列表面后，為保證反應(yīng)充分，應(yīng)對(duì)基因芯片進(jìn)行必要的溫育培養(yǎng)。作為微流路模塊，其整體尺寸比較緊湊。因此，設(shè)計(jì)出合理的恒溫加熱結(jié)構(gòu)是我們?cè)O(shè)計(jì)工作重點(diǎn)考慮的方面。

根據(jù)基因芯片的實(shí)際工況，建立相應(yīng)的分析用模型，然后將分析模型導(dǎo)入到ANSYS軟件的相應(yīng)分析模塊中進(jìn)行有限元建模分析，經(jīng)分析計(jì)算后得到基因芯片固定架的熱應(yīng)力、熱變形情況，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的熱變形情況，為合理設(shè)計(jì)加熱結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，計(jì)算所有有限元各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)[9]。對(duì)于微流路模塊只有加熱而沒有做功發(fā)生，屬于穩(wěn)態(tài)熱分析問題，而對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，其能量平衡方程為

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀函數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

熱耦合場(chǎng)分析通?？紤]2個(gè)或多個(gè)工程物理場(chǎng)之間的相互作用。微流路模塊裝配件中由于加熱組件的存在，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮物體的熱脹冷縮原理帶來的影響，必須進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，通過仿真分析計(jì)算得到基因芯片固定架底板受熱不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

3.1 建立三維CAD模型

對(duì)圖13中的微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架三維幾何模型進(jìn)行建模分析。其中，環(huán)境溫度為27℃，加熱組件設(shè)置溫度為50℃，外部為自然對(duì)流環(huán)境。

借助ANSYS前處理模塊直接生成節(jié)點(diǎn)和有限元單元，生成有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為37 036，節(jié)點(diǎn)數(shù)為69 241。有限元網(wǎng)格劃分完畢后，添加施力載荷與約束邊界條件如下：

（1）微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架底平面3個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)固定；（2）對(duì)微流路模塊固定結(jié)構(gòu)架進(jìn)行有限單元網(wǎng)格劃分和生成。

微流路模塊固定架的有限元模型如圖 18所示。分析得到熱分布云圖如圖19所示。

圖18 固定架有限元模型

圖19 固定結(jié)構(gòu)架熱分布云圖

3.2 熱-應(yīng)力耦合分析

為設(shè)計(jì)合理的零件間隙，避免熱應(yīng)力造成零件間擠脹變形，部件裝配體熱-應(yīng)力耦合分析如圖20所示。

底部裝配件間裝配余量小，由于加熱膨脹造成相互間產(chǎn)生較大擠脹力，達(dá)到89 MPa，存在比較大的設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)在保證熱傳遞的基礎(chǔ)上，加大裝配間

（????）（????）隙，避免零部件的變形影響到液路的密封。

圖20 熱應(yīng)力分布圖

4 討論

基因芯片應(yīng)用是一個(gè)多階段流程，一個(gè)好的基因芯片雜交結(jié)果具有探針信號(hào)背景低、信噪比高的特點(diǎn)。目前，研究如何通過提高基因芯片雜交工藝提升芯片雜交效果，減少應(yīng)用過程中其他因素的影響還未得到重視。通過提高基因芯片雜交過程的自動(dòng)化水平，改善基因芯片雜交環(huán)境，減少實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變異是可行的。

借助CAD技術(shù)構(gòu)建基因雜交儀關(guān)鍵液路模塊三維模型，利用ANSYS-CFX流-固耦合方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析，可以明晰不同流路的設(shè)計(jì)方案；利用ANSYS靜力學(xué)分析模塊對(duì)主要承力部件進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)得到的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作以調(diào)整，減少應(yīng)力應(yīng)變，可達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的；利用ANSYS熱-固耦合方法仿真分析加熱結(jié)構(gòu)件的工況，可為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，借助CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行建模和仿真分析，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。仿真分析技術(shù)不僅是提高設(shè)計(jì)方法和手段的有利工具，而且對(duì)提升設(shè)計(jì)水平、提高設(shè)計(jì)前瞻性及設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性都有重要意義。

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（收稿：2013-06-30 修回：2014-03-30）

Simulation technology in design of micro-flow channel of genechips hybridization instrument

LU Ming-li,CHENWei,CHENG Peng
（Plant of Experimental Instrument,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China）

Objective To develop a new instrument integrating the functions of cleaning,incubation and crossing in order to advance promotion and application of genechips,with the whole process controlled by the computer.Methods CAD technology was used for the modeling of the micro-flow channelmodule of the genechips hybridization instrument,then CFD technology and CFX software were involved in the modeling analysis to make clear the fluid flows for different flow paths.Static strength analysis was performed for fixing frame to understand its loading allocation.Thermal-solid coupling analysis was utilized to reveal the thermal stress conditions ofmicro-flow channelmodel.Results Simulation technology laid a foundation for the design ofmicro-flow channel,and a hybridization and cleaning micro-flow channelmodule was formed,with the influences of structure and process eliminated.Conclusion The simulation technology can shorten the development cycle and reduce the cost for the micro-flow channelmodule,and thus is valuable for the trial and perfor mance test of likely product.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：24-27，33]

genechip;hybridization;thermal-solid coupling;CFD;CFX

R318；TH79

A

1003-8868（2014）07-0024-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.024

魯茗莉（1982—），女，碩士，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作。

100850北京，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器廠（魯茗莉，陳 瑋，程鵬）

陳 瑋，E-mail：chw69221@126.com