LOC 模数微滴分配器的模拟

Brianne Christopher 2015年 5月 11日

微流体生物芯片的应用范围很广,同时也因成本低、响应快、效率高而备受业界重视。COMSOL 用户年会 2014 波士顿站收到了一篇名为“芯片实验室应用中高通量微滴分配器的设计与仿真”的论文,其中介绍了研究人员设计的一款带有模数转换器的微流体生物芯片。他们使用 COMSOL Multiphysics 软件来理解器件的工作机理以及验证它的功能。

微流体生物芯片及其对模数装换器的需求

在 MEMS 和芯片实验室器件中,微流体生物芯片无需很高的功率或样品体积就能工作;还具备造价低、响应短、整体效率高等特点。它们的另一项优势是支持在一个单独的芯片中集成诸如检测、样品预处理和样品制备等操作。微流体生物芯片广泛应用于各类应用中,例如喷墨打印机的打印头、微药物输送系统以及 DNA 和临床病理学设备等。

目前主要有两类微流体生物芯片:

  1. 模拟类,用于处理连续流;
  2. 数字类 (DMFB),利用电介质上电润湿 (EWOD) 技术来驱动液滴移动、融合、分裂,或通过控制液滴实现其他功能。

一般而言,微流体样品均为连续流,比如用于诊断测试的血液或唾液液滴。这会带来两个问题:您无法控制液滴的体积;如果器件中出现过压,将无法移除多余的液体。针对这类情况,可以使用 DMFB 处理模拟类微流体,此时就需要在器件上安装模数转换器 (ADC)

ADC 是一种微流体分配器,可以将来自连续流或样品库的受控颗粒进行分配,是将模拟及数字类微流体生物芯片集成到混合信号微流体设备中的基础设备。令人吃惊的是,目前与将 ADC 集成到生物芯片设计相关的研究并不多。为了满足这一需求,康涅狄格州布里奇波特大学的研究团队开始着手设计和模拟一个高通量微流体液滴分配器,希望能将其作为芯片实验室 (LOC) 中的模数微流体转换器使用。

微流体液滴分配器示意图。
微流体液滴分配器示意图。图片来源:C. Jin、X. Xiong、P. Patra、R. Zhu 及 J. Hu (美国康乃狄克州布里奇波特市布里奇波特大学)。图片截取自他们在 COMSOL 用户年会 2014 波士顿站提交的论文

一款高效器件的设计及模拟

研究团队致力于理解高通量液滴分配器的机理,以及验证它作为 LOC 器件中模拟与数字微流体生物芯片间接口的功能。

他们首先用到了层流两相流接口,使用 COMSOL Multiphysics 的水平集方法来模拟电润湿过程,借以模拟液滴在分配器中的移动与分裂;希望能更好理解微流体的整体行为,并得出下一步仿真所需的时间设定。研究人员还可以计算驱动液滴所需的力、液滴的形状与移动,以及驱动其移动所需的电压。

移动分配器中的微流体液滴。
模拟分配器中微流体液滴的移动及分裂。图片来源:C. Jin、X. Xiong、P. Patra、R. Zhu 及 J. Hu (美国康乃狄克州布里奇波特市布里奇波特大学)。图片截取自他们在 COMSOL 用户年会 2014 波士顿站提交的论文

接下来,团队将液滴分配器作为模拟与数字微流体流动间的接口进行了模拟。为了减少仿真时间,模型只包含两个数字输出端口。借助 COMSOL Multiphysics,团队可以轻松选定网格单元,以便为液滴分配器创建一个包含更细化网格的模型。

数字式液滴分配器模型,已剖分网格。
数字式液滴分配器模型,已剖分网格。图片来源:C. Jin、X. Xiong、P. Patra、R. Zhu 及 J. Hu (美国康乃狄克州布里奇波特市布里奇波特大学)。图片截取自他们在 COMSOL 用户年会 2014 波士顿站提交的论文

模拟交替与并行模式下输出端口的液滴行为,以便分析每种方法的效率。

并行模式下的液滴分配器。
交替方式下的液滴分配器。

模拟并行(左)及交替(右)模式下液滴分配器,以便理解器件的行为表现。图片来源:C. Jin、X. Xiong、P. Patra、R. Zhu 及 J. Hu (美国康乃狄克州布里奇波特市布里奇波特大学)。图片截取自他们在 COMSOL 用户年会 2014 波士顿站提交的论文

通过模拟液滴分配器,研究人员不仅验证了该器件的功能,还进一步总结出:当将模数微流体集成在单个芯片实验室器件中后,将能高效地实现交替及并行模式的液滴分配。这项研究极可能会促进对这类器件的改进,推动微流体领域的发展,从而改进临床诊断和其他应用。

扩展阅读

如希望了解有关数字液滴分配器的更多信息,欢迎下载 COMSOL 用户年会 2014 波士顿站的论文及演示稿:”芯片实验室应用中高通量微滴分配器的设计与仿真“。


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