表面改性的自驅(qū)動(dòng)檢測芯片中流體的仿真分析

李露露,尤 暉

(1.上海大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所,上海 200072; 2.中國科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031)

機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)科的發(fā)展使醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器更加智能化,醫(yī)學(xué)檢測效率和質(zhì)量都大大提高。目前,隨著床邊檢測技術(shù)[1]的操作越來越簡便,檢測結(jié)果精確性越來越高,床邊檢測技術(shù)進(jìn)入黃金時(shí)期并且將發(fā)展為未來醫(yī)學(xué)檢測的主力[2]。

微流控芯片是由Manz和Widemer等提出的,在微型全分析系統(tǒng)中最活躍的研究領(lǐng)域[3]。生物檢測芯片主要通過人體血液檢測來診斷病人,傳統(tǒng)的POCT(point of care testing)芯片檢測主要采用光學(xué)檢測和電化學(xué)阻抗法檢測。在POCT微流控芯片中,如何實(shí)現(xiàn)微通道中微流體的驅(qū)動(dòng)和控制是關(guān)鍵。目前,微流控芯片的驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很多種,雖然采用的原理和形式不盡相同,如壓力驅(qū)動(dòng)、電水力驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng),但是大多需要外力驅(qū)動(dòng)。為了盡可能節(jié)省成本,使操作簡單易行,本文選用無外力自驅(qū)動(dòng)的檢測芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物試劑的檢測。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測芯片中生物試劑的檢測,其中一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)就是對(duì)檢測芯片中生物試劑的控制。為了使被檢測的生物試劑與檢測芯片中的檢測成分充分反應(yīng),需要對(duì)檢測芯片中的流體進(jìn)行減速處理,以達(dá)到檢測效果明顯的目的。本文通過改變檢測芯片中管道壁面親疏水性來實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速的控制,即在管道內(nèi)添加疏水劑來減緩流體的流速。對(duì)于微流控芯片中的微流體系統(tǒng),由于尺度的縮小,流體具有較大的比表面積,因此界面上的力對(duì)流體的流動(dòng)會(huì)有很大影響,這與宏觀上管道內(nèi)流體流動(dòng)有很大區(qū)別。為了達(dá)到理想的效果,本文首先采用Fluent數(shù)值方法對(duì)檢測芯片內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行模擬,然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型分析

本文研究的自驅(qū)動(dòng)生物檢測芯片主要由4個(gè)部分組成,即滴入樣品的進(jìn)樣口、樣品流通的直管道、化學(xué)反應(yīng)區(qū)以及廢液儲(chǔ)存區(qū)。如圖1所示,模型進(jìn)樣口為液相進(jìn)口,氣孔為氣相出口。通道為一個(gè)直管道,化學(xué)反應(yīng)區(qū)的長度為40.0 mm,寬度為3.5 mm。整個(gè)系統(tǒng)的操作溫度保持在20℃,通道進(jìn)出口壓力均為1.013×105Pa。

為了探究表面改性處理(即改變檢測芯片中管道壁面的親疏水性)對(duì)流體流動(dòng)的影響,使用Fluent軟件分別對(duì)表面改性和未表面改性的模型進(jìn)行仿真分析。根據(jù)檢測芯片中反應(yīng)區(qū)不同疏水處理段流體流速的要求,需要在反應(yīng)成分所在區(qū)域(見圖2中黑色區(qū)域)減緩流體流速。為了達(dá)到這個(gè)要求,在反應(yīng)成分所在區(qū)域前面一小段內(nèi)添加疏水劑(見圖2中陰影部分)。

圖1 檢測芯片模型Fig.1 Detection microchip model

圖2 涂覆疏水劑的管道段Fig.2 Pipeline section coated with hydrophobic agent

1.2 控制方程

本文使用流體體積模型[4]模擬毛細(xì)管內(nèi)氣液兩相流運(yùn)動(dòng),該模型具有追蹤氣液兩相界面移動(dòng)變化的功能。流體體積模型關(guān)于多相流模擬計(jì)算的控制方程如下所示:

(1)連續(xù)性方程

(1)

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)物質(zhì)屬性方程

ρ=αLρL+αGρG,μ=αLμL+αGμG

(3)

(4)體積分?jǐn)?shù)方程

(4)

式(1)～(4)中:ρ為密度;F為附加的力;μL為液相黏度;μG為氣相黏度;g為重力加速度;αG為氣相體積分?jǐn)?shù);αL為液相體積分?jǐn)?shù);t為時(shí)間;v為液相速度;ρG為氣相密度;ρL為液相密度。運(yùn)動(dòng)界面重構(gòu)采用的是Youngs方案[5]。

1.3 表面張力和壁面黏附

由于檢測芯片中管道的直徑為亞毫米級(jí),因此管道內(nèi)氣液兩相間的表面張力和壁面吸附力占據(jù)主導(dǎo)地位。在應(yīng)用流體體積模型時(shí),需要定義動(dòng)量方程中由表面張力和壁面黏附作用所產(chǎn)生的源項(xiàng)[6]。Fluent軟件中表面張力模型是由Brackbill等[7]提出的連續(xù)表面力模型。采用此模型,流體體積模型計(jì)算中由附加表面張力產(chǎn)生的動(dòng)量方程源項(xiàng)

(5)

式中:κG為由垂直于界面的表面局部梯度計(jì)算得到的表面曲率;δ為表面張力系數(shù)。假定流體與壁面產(chǎn)生的接觸角用于調(diào)整壁面附近單元表面的法向,而不是加強(qiáng)壁面自身的邊界條件。如果θW為壁面接觸角,那么挨著壁面的實(shí)際單元的表面法向

(6)

1.4 網(wǎng)格劃分和相關(guān)參數(shù)設(shè)定

對(duì)模型計(jì)算區(qū)域采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元主要為四邊形網(wǎng)格。由于在毛細(xì)管道中管壁的特性對(duì)流體流動(dòng)的影響很大,因此需加密網(wǎng)格來計(jì)算。同時(shí),考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算收斂性,對(duì)網(wǎng)格尺寸做了多次修改。最后,本文計(jì)算的網(wǎng)格如圖3所示,網(wǎng)格單元數(shù)為2 546,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 780。從網(wǎng)格單元質(zhì)量記錄可以看出,劃分的網(wǎng)格能夠滿足計(jì)算的要求。

模擬的氣液相初始速度為0,初始?jí)毫?。模擬過程用離散型非穩(wěn)態(tài)求解器,設(shè)定氣相和液相皆為壓力進(jìn)口,并設(shè)定表壓為0。液相進(jìn)口處液相體積分?jǐn)?shù)αL=1,即該處全為液體。同樣,氣相進(jìn)口處氣相體積分?jǐn)?shù)αG=1,即該處全為氣體。氣相為空氣,ρG=1.225 kg·m-3,μG=1.789 4×10-5Pa·s。液相為水,ρL=998.2 kg·m-3,μL=0.001 Pa·s。水與空氣間的表面張力系數(shù)設(shè)置為0.065 N·m-1。未疏水處理時(shí)整體管道的壁面接觸角設(shè)置為40°,疏水處理后疏水段的壁面接觸角設(shè)置為85°,如圖4所示。其他管道部分壁面接觸角依舊為40°,且為固壁邊界,壁面無滑移[8]。

圖3 檢測芯片的局部網(wǎng)格Fig.3 Local grid of the detection microchip

圖4 壁面接觸角設(shè)置Fig.4 Wall contact angle setting

2 結(jié)果與討論

將計(jì)算的迭代步長設(shè)置為0.001 s,迭代一定步數(shù)后,逐漸增加迭代步長,同時(shí)要保證計(jì)算結(jié)果不發(fā)散,直到計(jì)算的液相流完整個(gè)化學(xué)反應(yīng)區(qū)。

對(duì)疏水處理和未疏水處理的模型分別進(jìn)行計(jì)算,得到2種模型的計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果中提取2種模型在液相處于相同位置時(shí)的速度云圖(見圖5和圖6),分析疏水處理對(duì)流體流速的影響。

對(duì)2種模型流體平均流速進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),未疏水處理檢測芯片中流體平均流速為23 cm·s-1,疏水處理后檢測芯片中流體平均流速為15 cm·s-1。疏水處理后流速下降了35%,說明疏水處理對(duì)流體流速減緩作用明顯。

圖5 未疏水處理檢測芯片中管道內(nèi)流體流速云圖Fig.5 Cloud diagram of flow velocity in the detection microchip without hydrophobic treatment

圖6 疏水處理后檢測芯片中管道內(nèi)流體流速云圖Fig.6 Cloud diagram of flow velocity in the detection microchip with hydrophobic treatment

對(duì)比第1個(gè)疏水處理段(直管道10 mm處)、第2個(gè)疏水處理段(直管道24 mm處)、第3個(gè)疏水處理段(直管道36 mm處)(見圖7～9),未疏水處理與疏水處理后2種檢測芯片中管道內(nèi)流體流速云圖。

在直管道10 mm處,未疏水處理檢測芯片中流體流速為27.80 mm·s-1,疏水處理后檢測芯片中流體速度為23.14 mm·s-1,流速下降了16.7%。

在直管道24 mm處,未疏水處理檢測芯片中流體流速為20.07 mm·s-1,疏水處理后檢測芯片中流體流速為16.72 mm·s-1,流速下降了16.7%。

在直管道36 mm處,未疏水處理檢測芯片中流體流速為17.23 mm·s-1,疏水處理后檢測芯片中流體流速為9.68 mm·s-1,流速下降了43.8%。

從圖7～9可以看出,經(jīng)過的疏水處理段越多,流體流速降低得越明顯。從仿真結(jié)果看,對(duì)檢測芯片中管道壁面進(jìn)行疏水處理來降低流體流速,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的控制是切實(shí)可行的。

圖7 第1個(gè)疏水處理段流體流速云圖Fig.7 Cloud diagram of flow velocity when fluid is flowing through the first hydrophobic treatment section

圖8 第2個(gè)疏水處理段流體流速云圖Fig.8 Cloud diagram of flow velocity when fluid is flowing through the second hydrophobic treatment section

圖9 第3個(gè)疏水處理段流體流速云圖Fig.9 Cloud diagram of flow velocity when fluid is flowing through the third hydrophobic treatment section

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和表面改性方案的可行性,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,利用數(shù)控加工技術(shù)加工檢測芯片中管道,然后使用超聲清洗儀對(duì)管道壁面進(jìn)行清洗。為了對(duì)比,在其中一組檢測芯片中管道壁面相應(yīng)位置涂上疏水劑以進(jìn)行表面改性處理。風(fēng)干后用PMMA雙面膠進(jìn)行密封固定。疏水處理前后芯片表面接觸角測量如圖10所示。

檢測芯片制作完成后,采用添加了藍(lán)墨水的去離子水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)未疏水處理和疏水處理后2組檢測芯片分別進(jìn)行了30次實(shí)驗(yàn),利用高倍顯微鏡及秒表記錄位置和時(shí)間。排除部分不合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值,得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 疏水處理前后芯片表面接觸角測量Fig.10 Surface contact angle measurement of the detection microchip with and without hydrophobic treatment

表1管道中不同疏水處理段流體流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Tab.1Experimentalresultsofflowvelocityindifferenthydrophobictreatmentsectionsofpipelines

檢測芯片類型不同疏水處理段處流體流速/(mm·s-1)10 mm24 mm36 mm疏水處理30.0025.0017.00未疏水處理19.2511.006.72

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在檢測芯片直管道10 mm處,未疏水處理和疏水處理后的檢測芯片中流體流速分別為30.00 mm·s-1和19.25 mm·s-1,流速下降了35.8%;在直管道24 mm處,未疏水處理和疏水處理后的檢測芯片中流體流速分別為25.00 mm·s-1和11.00 mm·s-1,流速下降了56.0%;在直管道36 mm處,未疏水處理和疏水處理后的檢測芯片中流體流速分別為17.00 mm·s-1和6.72 mm·s-1,流速下降了60.5%。可以看出,管道壁面疏水處理可以有效降低液體在管道中的流速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果在具體數(shù)值上有一定誤差,但趨勢(shì)一致。誤差的原因?yàn)?①在實(shí)驗(yàn)室加工過程中,由于PMMA管道用數(shù)控銑床進(jìn)行加工,從而導(dǎo)致實(shí)際的表面粗糙度有很大改變,并不是仿真中所設(shè)置的理想狀態(tài),同時(shí)由于加工工藝的限制,可能會(huì)使管道形狀產(chǎn)生一定的改變;②在實(shí)驗(yàn)中利用針管注射器注射液體,可能注射進(jìn)肉眼看不見的氣泡;③在仿真中設(shè)置的是在1.013×105Pa壓強(qiáng)下的實(shí)驗(yàn),沒有附加壓力,并且沒有考慮針管注射時(shí)附加壓力等影響因素。

4 結(jié)語

在生物檢測芯片中,生物試劑需要與檢測芯片中管道內(nèi)相應(yīng)位置的不同試劑進(jìn)行反應(yīng),不同試劑的反應(yīng)都需要一定的時(shí)間并且所需要的時(shí)間不同,所以對(duì)生物檢測芯片中生物試劑的流動(dòng)控制非常關(guān)鍵。本文對(duì)生物試劑在檢測芯片中管道內(nèi)不同疏水處理段的流體流速進(jìn)行控制。從仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,管道壁面疏水性的增加會(huì)減緩管道內(nèi)流體流速,并且效果明顯。