魯茗莉，陳 瑋，程 鵬

仿真技術在基因芯片雜交儀微流路設計中的應用

魯茗莉，陳 瑋，程 鵬

目的：為了加快基因芯片技術的推廣和應用，研制一種集基因芯片清洗、溫育、雜交等于一體的新型儀器，使整個過程可在計算機控制下自動完成。方法：借助計算機輔助設計（computer aided design，CAD）技術，針對基因雜交儀微流路模塊進行建模；借助計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術，應用CFX軟件建模分析得到不同流路方式的液流情況；對固架承載結構進行靜強度分析，得到其承載分布情況；對電加熱模塊進行熱-固耦合分析，得到微流路模塊熱應力情況。結果：仿真技術為微流路設計提供了參考和依據(jù)，從而更高效地設計出了滿足實驗流程的基因芯片雜交、清洗微流路模塊，避免了結構工藝因素的影響，使得到的實驗數(shù)據(jù)更加科學可信。結論：運用仿真技術完成對微流路模塊的設計研究，可以有效地縮短開發(fā)周期、節(jié)省試驗成本，對于該類產(chǎn)品的試制與性能測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、高分子合成技術、精密機械技術和微光顯現(xiàn)技術，可有效地對雜交信號進行實時、靈敏、準確的檢測分析。基因芯片技術已經(jīng)成為生物化學與分子生物學領域中一個非常重要的研究工具，廣泛應用于疾病診斷和治療、藥物篩選、食品衛(wèi)生監(jiān)督、國防等許多領域。國外的多家大公司及政府機構均對此表現(xiàn)出很大的興趣，并投以可觀的財力。我們國家的生命科學、計算機科學乃至精密機械科學的工作者在該領域也取得了巨大成就。然而，基因芯片高通量的性質也使得基因芯片的結果容易受到實驗過程中樣品標記、預雜交、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格，預處理技術對其推廣普及具有重要意義，但這方面的研究報道比較少。傳統(tǒng)的基因芯片雜交過程是在封閉的雜交盒中，將標記好的樣品點到基因芯片陣列表面，恒溫下靜置12～17 h，進行芯片雜交[3]。在芯片雜交過程中，由于液體中不同成分未進行充分混勻反應，會造成樣品液滴在基因芯片表面不均勻。同時，由于操作過程需要大量人工干預，且完成檢測需要消耗大量時間，整個過程可能會產(chǎn)生各種誤差，影響了基因芯片技術的推廣使用。為此，我們提出一種清洗、加樣和溫育混勻模塊化雜交方法，通過微流路實現(xiàn)對同一陣列芯片進行清洗、溫育、雜交等多種連續(xù)操作，將樣品與芯片探針置于動態(tài)環(huán)境中進行雜交，確保單位體積內的樣品與單位面積的陣列反應的概率相同，使得到的芯片數(shù)據(jù)更科學。

傳統(tǒng)的設計往往是通過類比或經(jīng)驗來完成，設計思路保守，留有余量大，設計周期長，影響到系統(tǒng)整體方案的實施。為了確保新方案的有效實施，必須采用高效快捷準確的計算機輔助設計（computer aided design，CAD）/計算機輔助工程（computer aided engineering，CAE）技術，提升設計質量，實現(xiàn)新產(chǎn)品的設計驗證。

基因芯片雜交儀的總體設計思路是：借助CAD系統(tǒng)，基于實際工況進行整機設計。借助CAE系統(tǒng)對微流路進行流體仿真分析，對基因芯片固定架進行強度計算和熱-應力耦合分析，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，為設計人員提供依據(jù)和參考。從而提高設計質量，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圖，圖2為基因雜交儀實物圖。

圖1 基因雜交儀三維模型圖

圖2 基因雜交儀實物圖

在現(xiàn)代設計開發(fā)中，產(chǎn)品設計雖然只占產(chǎn)品整個成本的5%，但卻影響產(chǎn)品整個成本的70%[5]。利用仿真技術完成產(chǎn)品結構設計、性能參數(shù)分析，其顯著優(yōu)點是縮短研發(fā)周期，降低試驗成本，便于實施多方案的比較。

基因芯片雜交儀設計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。對這一模塊進行多方案對比分析，優(yōu)選最佳微流路模塊，對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軟件分析計算

基因雜交儀微流路模塊是完成清洗、溫育和雜交的關鍵模塊，要求各陣列區(qū)內液體流量、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，分別設計了2種液體流路方式，通過計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）仿真分析，可以顯示液體在流場中的運行軌跡。通過流場建模仿真方法，能預測液體流場性能并指導改變各參數(shù)，以便達到最佳效果。經(jīng)CFD仿真分析后，可以深刻地理解所設計流路問題產(chǎn)生的機理，指導設計工作，從而節(jié)省人力、物力和時間，并有助于整理實驗結果和總結規(guī)律等[6]，提升整機工作的穩(wěn)定性和可靠性。

本文采用ANSYS-CFX軟件對微流路模塊進行仿真分析。CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業(yè)CFD軟件，由英國AEA Technology公司開發(fā)。2003年，CFX軟件被ANSYS公司收購。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，其算法上的先進性、豐富的物理模型和前后處理的完善性使ANSYS-CFX在結果的精確性、計算穩(wěn)定性、計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，可有效避免格式轉換所造成的信息丟失或模型缺損。

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

圖3 獨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立單元，對其中一路進行仿真分析即可，構建出用于CFX分析的三維模型，如圖5所示。

圖5 獨立通道微流路CFX分析三維模型圖

圖4中的各陣列液路互相關聯(lián)，對其整體建模進行仿真分析，構建出用于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

三維模型構建完成后，可直接導入到ANSYS Workbench中。對于管道內的液體，當流動方向發(fā)生改變時，會對管壁施加壓力，在劃分網(wǎng)格時應做加密處理，從而使分析結果更加精確。構建有限元模型如圖7、8所示。

其中，流體材料設置為水。用CFX對流場進行仿真分析，流場的設置主要是對水的性質進行設置，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的速度流進入口，出口處相對壓力為0 Pa，流固耦合面設定為WALL[8]。

圖7 獨立通道微流路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。計算后得出2種微流路方案流體流動變化云圖，如圖9、10所示。

圖9 獨立通道微流路CFX云圖

圖10 共用通道微流路CFX云圖

圖11 獨立通道微流路對陣列模塊清洗效果

圖12 共用通道微流路對陣列模塊清洗效果

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，獨立通道微流路模塊能達到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到6.8m/s，共用通道微流路模塊沿流動方向速度漸變，進入各陣列中的液體量不同，各陣列模塊的操作一致性差。具體實驗得出的結果如圖11、12所示。

盡管獨立通道微流路模塊的連接管線更復雜，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，具體設計工作應以此為依據(jù)。

2 強度分析

利用有限元分析軟件對鉆機工作裝置導向架進行靜力學分析，獲得導向架的應力及位移分布，找出應力集中點與主要應變部位，為設計后期對導向架的改進提供了依據(jù)。對導向架進行模態(tài)分析，提取了導向架水平位置時的固有頻率與振型，獲得較為直觀的結論，為優(yōu)化導向架提供了依據(jù)。同時也明確了鉆機在工作過程中應避免的危險頻率，以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 微流路模塊固定結構架三維模型的建立

微流路模塊固定結構架是保證清洗、雜交液路密封的關鍵。微流路模塊固定結構架如圖13所示。

圖13 微流路模塊固定結構架模型圖

根據(jù)基因芯片預處理的設計要求，通過CAD系統(tǒng)設計微流路模塊固定結構架三維幾何模型。基因芯片固定安裝結構設計為層壓式壓緊密封結構，其中，內框架結構為主要施加壓力部件，為確保其結構更加合理，本文通過ANSYS靜強度分析模塊對設計結構進行仿真分析，為設計工作提供依據(jù)。分析用內框架結構三維模型如圖14所示。

圖14 微流路模塊內框架三維模型圖

2.2 微流路模塊固定架有限元分析

線性靜力結構分析用來分析結構在給定靜力載荷作用下的響應。根據(jù)基因芯片的實際工況，添加施力載荷與邊界條件：（1）約束銷軸孔面、銷軸3個方向的平動和轉動；（2）為確保液路密封，內框架施加50N垂直向下壓力；（3）進行網(wǎng)格劃分，生成有限單元網(wǎng)格。

內框架采用輕質硬鋁合金，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 內框架有限元模型

內框架有限元網(wǎng)格采用10節(jié)點四面體單元，這一有限單元可保證計算的足夠精確性。劃分完成后網(wǎng)格的單元數(shù)為11 810，節(jié)點數(shù)為21 828。隨后進行施力載荷與約束邊界條件的添加。

ANSYS后處理模塊對內框架有限元模型進行分析計算后，得出其應力分布情況如圖16所示，應變分布如圖17所示。

圖16 內框架應力云圖

圖17 內框架變形云圖

通過上面的計算我們可以分析出，由于壓應力相對較小，內框架靠近中部4個面受力最大，其最大值為17.1MPa，遠低于鋁合金的屈服強度300MPa。最大變形量為外部4個面，最大變形量為0.02mm，整體承力變形較小，滿足設計要求，還可以進一步優(yōu)化結構。

3 熱-固耦合分析

在基因芯片雜交過程中，將樣品點到芯片陣列表面后，為保證反應充分，應對基因芯片進行必要的溫育培養(yǎng)。作為微流路模塊，其整體尺寸比較緊湊。因此，設計出合理的恒溫加熱結構是我們設計工作重點考慮的方面。

根據(jù)基因芯片的實際工況，建立相應的分析用模型，然后將分析模型導入到ANSYS軟件的相應分析模塊中進行有限元建模分析，經(jīng)分析計算后得到基因芯片固定架的熱應力、熱變形情況，預測設計產(chǎn)品的熱變形情況，為合理設計加熱結構提供指導。

ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，計算所有有限元各節(jié)點的溫度，并導出其他熱物理參數(shù)[9]。對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，任何一個節(jié)點的溫度不隨時間變化，其能量平衡方程為

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

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

3.1 建立三維CAD模型

對圖13中的微流路模塊固定結構架三維幾何模型進行建模分析。其中，環(huán)境溫度為27℃，加熱組件設置溫度為50℃，外部為自然對流環(huán)境。

借助ANSYS前處理模塊直接生成節(jié)點和有限元單元，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）微流路模塊固定結構架底平面3個方向的平動和轉動固定；（2）對微流路模塊固定結構架進行有限單元網(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 固定結構架熱分布云圖

3.2 熱-應力耦合分析

為設計合理的零件間隙，避免熱應力造成零件間擠脹變形，部件裝配體熱-應力耦合分析如圖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，達到89 MPa，存在比較大的設計缺陷，應在保證熱傳遞的基礎上，加大裝配間

（????）（????）隙，避免零部件的變形影響到液路的密封。

圖20 熱應力分布圖

4 討論

基因芯片應用是一個多階段流程，一個好的基因芯片雜交結果具有探針信號背景低、信噪比高的特點。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化水平，改善基因芯片雜交環(huán)境，減少實驗誤差導致的數(shù)據(jù)變異是可行的。

借助CAD技術構建基因雜交儀關鍵液路模塊三維模型，利用ANSYS-CFX流-固耦合方法進行數(shù)值仿真分析，可以明晰不同流路的設計方案；利用ANSYS靜力學分析模塊對主要承力部件進行靜強度計算，根據(jù)得到的應力應變分布情況，對關鍵結構尺寸作以調整，減少應力應變，可達到結構優(yōu)化的目的；利用ANSYS熱-固耦合方法仿真分析加熱結構件的工況，可為改進設計提供參考和依據(jù)。

在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，借助CAD/CAE技術進行建模和仿真分析，為設計人員提供設計依據(jù)和參考，是現(xiàn)代設計發(fā)展的必然趨勢。仿真分析技術不僅是提高設計方法和手段的有利工具，而且對提升設計水平、提高設計前瞻性及設計的準確性都有重要意義。

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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)學工程方面的研究工作。

100850北京，軍事醫(yī)學科學院實驗儀器廠（魯茗莉，陳 瑋，程鵬）

陳 瑋，E-mail：chw69221@126.com