閆慧敏 楊 偉 和發(fā)展 劉耀基 王 超*

近年來，隨著國民健康意識的增強(qiáng)，各大醫(yī)院、檢驗中心生化檢測數(shù)量快速上升，同時許多疾病的精準(zhǔn)診斷越來越依賴于高精度的生化定量分析，促使了全自動化學(xué)發(fā)光分析儀朝著高速高精度方向發(fā)展[1]。加樣速度與精度是影響高速高精度檢測的關(guān)鍵因素之一[2]。目前，試劑的加樣量都在微升量級，加樣精度的控制直接影響到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，加樣方式中多采用空氣柱隔離的方式，將系統(tǒng)液和試劑進(jìn)行隔離，避免了試劑在針內(nèi)被系統(tǒng)液稀釋的風(fēng)險。為了確保儀器的加樣系統(tǒng)能夠精確地定量試劑，掌握加樣針內(nèi)的試劑的運動狀態(tài)和加樣狀態(tài)至關(guān)重要。因此，本研究采用流體仿真軟件，以純化水為研究介質(zhì)，采用流體仿真的方法復(fù)現(xiàn)實際加樣的過程，并結(jié)合理論分析和實驗結(jié)果，分析加樣速度與加樣量等因素對加樣過程的動態(tài)特性的影響，為微量液體高精度加樣提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究材料

加樣針屬于加樣系統(tǒng)重要部件之一[3-4]。采用市場上一款加樣針，針內(nèi)壁直徑從針尾到針尖由1.2 mm過渡到0.5 mm，針尖有斜角，材料為不銹鋼，外壁有涂層，材料為特氟龍。反應(yīng)杯的外觀結(jié)構(gòu)為T型，其材質(zhì)為聚丙烯，物理和化學(xué)特性穩(wěn)定，外觀透明且易于觀察。本研究給定加樣針在反應(yīng)杯中的位置，其在反應(yīng)杯中的加樣狀態(tài)、加樣針及其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 流體運動

當(dāng)圓管內(nèi)黏滯力對流場的影響大于慣性力時，流體分層流動，相鄰的流層之間存在相互滑動，僅在切線方向產(chǎn)生作用力，流體運動為層流；當(dāng)慣性力對流場的影響大于黏滯力時，除了在切線方向產(chǎn)生作用力，在垂直切線方向存在壓差和升力作用，這種運動稱為湍流[5-7]。當(dāng)雷諾數(shù)(Re)＜2000時，流體運動為層流，當(dāng)4000＞Re＞2000時，由層流向湍流過渡，當(dāng)Re＞4000時，流體運動為湍流。圓管層流和湍流見圖2。

當(dāng)圓管內(nèi)的流體處于層流運動時，靠近壁面的流速小，遠(yuǎn)離壁面的流速大，圓管內(nèi)的流速以拋物線的方式分布；當(dāng)圓管內(nèi)的流體處于湍流運動時，相鄰流層混合在一起，流場中出現(xiàn)許多漩渦，且旋渦不規(guī)則的運動。

圖1 加樣針及其結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓管層流和湍流示意圖

在加樣系統(tǒng)中，為實現(xiàn)空氣隔離系統(tǒng)液和試劑，針內(nèi)的流體應(yīng)以層流的方式運動。本研究加樣針內(nèi)試劑采用純化水代替，溫度在(25±2)℃。在流體力學(xué)中，慣性力與粘性力的比值用Re來表示，其計算為公式1：

式中v為流體的流速(m/s)，d為圓管直徑(m)，ρ為密度(kg/m3)，μ為流體動力粘滯系數(shù)[kg/(m-s)]。

經(jīng)過計算可知：在加樣針內(nèi)徑1.2 mm處，當(dāng)加樣速度v＜1.5 m/s，即Re＜2000時，為層流；當(dāng)3.0 m/s＞v＞1.5 m/s，即4000＞Re＞2000時，由層流向湍流過渡；當(dāng)v＞3.0 m/s，即Re＞4000時，為湍流。因此，為了實現(xiàn)空氣隔離系統(tǒng)液和試劑，針內(nèi)流體的運動速度應(yīng)＜1.5 m/s。

1.3 仿真方法

仿真是通過數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，從而得到不可壓縮流體在某一連續(xù)區(qū)域上的離散分布，進(jìn)而近似模擬二維或三維模型中流體的運動狀態(tài)[8]。在滿足流體連續(xù)性、質(zhì)量守恒和動量守恒[9]前提下，采用多相流(volume of fluid，VOF)模型和標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程，對微量液體高精度加樣的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 加樣針內(nèi)流體的運動狀態(tài)

2.1.1 仿真分析

以加樣針為仿真分析對象，應(yīng)用三維軟件建立加樣針三維幾何模型。根據(jù)加樣針在反應(yīng)杯中的加樣位置，對加樣針和反應(yīng)杯建立的三維模型進(jìn)行簡化。由于幾何模型是對稱結(jié)構(gòu)，故用二維模型進(jìn)行仿真分析。加樣針二維及三維模型和網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 加樣針二維及三維模型和網(wǎng)格劃分示意圖

在滿足流體連續(xù)性、質(zhì)量守恒和動量守恒前提下，采用多相流VOF模型，兩相介質(zhì)分別是空氣和純化水，流動方程采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程，針內(nèi)壁設(shè)置一定的粗糙度，反應(yīng)杯內(nèi)壁設(shè)置為光滑壁面。運動狀態(tài)邊界條件見圖4。

圖4 運動狀態(tài)邊界條件示意圖

(1)當(dāng)步數(shù)(STEP)=0時，加樣針和反應(yīng)杯中空氣體積占100%；STEP=1，入口兩相體積中純化水的體積設(shè)置為100%；STEP=2400時，入口兩相體積中空氣的體積設(shè)置為100%；STEP=3070時，入口兩相體積中純化水的體積設(shè)置為100%。模擬加樣過程，純化水和空氣的流速均為0.1 m/s。加樣針內(nèi)流體運動隨時間變化見圖5。

由于加樣針內(nèi)壁具有一定的粗糙度，在加樣針內(nèi)徑1.2 mm階段，由于整體流速小，純化水的動能不足以克服針內(nèi)壁的摩擦力，純化水沿著加樣針內(nèi)壁不規(guī)則流動，加樣針內(nèi)的空氣和純化水混合在一起，空氣未能起到隔離的作用。

圖5 流速為0.1 m/s時加樣針內(nèi)流體運動隨時間變化示意圖

(2)當(dāng)STEP=0，加樣針和反應(yīng)杯中空氣體積占100%；STEP=1，入口兩相體積中純化水的體積設(shè)置為100%；STEP=600時，入口兩相體積中空氣的體積設(shè)置為100%。模擬加樣過程，純化水和空氣的速度均為1.2 m/s。

圖6 流速為1.2 m/s時加樣針內(nèi)流體運動隨時間變化示意圖

加樣針內(nèi)壁具有一定的粗糙度，在加樣針直徑1.2 mm階段，靠近加樣針內(nèi)壁的純化水的速度相比遠(yuǎn)離加樣針內(nèi)壁的速度小，針內(nèi)純化水的流速以拋物線的方式分布，純化水在加樣針內(nèi)的流動屬于層流，仿真結(jié)果與理論分析一致?？諝馀c純化水有明確的邊界，空氣起到隔離的作用。加樣針內(nèi)純化水流運動見圖7。

圖7 加樣針內(nèi)純化水流運動示意圖

通過仿真結(jié)果可知，在針內(nèi)壁粗糙度不變的條件下，通過優(yōu)化加樣速度，液體的動態(tài)特性較穩(wěn)定，空氣柱能夠起到隔離系統(tǒng)液與試劑的作用，有助于提高加樣精度。

2.1.2 實驗驗證

搭建加樣實驗平臺，在不同的加樣速度條件下對加樣系統(tǒng)進(jìn)行定量測試。當(dāng)加樣速度在1.2 m/s條件下，注液量在99～101 μl范圍內(nèi)波動；加樣速度在0.1 m/s條件下，注液量在97～102 μl范圍內(nèi)波動。因此，合理的優(yōu)化加樣速度，加樣針的注液量波動范圍較小，有助于提高加樣的精度與穩(wěn)定性，且實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。實驗數(shù)據(jù)見圖8。

2.2 加樣針注液狀態(tài)分析

根據(jù)仿真計算與實驗驗證，給定加樣速度1.2 m/s，分析不同體積液體的加樣狀態(tài)。

圖8 實驗數(shù)據(jù)

2.2.1 注液狀態(tài)仿真

以反應(yīng)杯作為主要仿真對象，對反應(yīng)杯結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化。為了減少提高仿真計算速度，優(yōu)化加樣針流道，僅將針尖部位作為研究對象。加樣針二維模型和網(wǎng)格見圖9。

圖9 加樣針和反應(yīng)杯的二維模型和網(wǎng)格示意圖

在滿足流體連續(xù)性、質(zhì)量守恒和動量守恒前提下，采用多相流VOF模型，兩相介質(zhì)分別是空氣和純化水，流動方程采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程，反應(yīng)杯內(nèi)壁設(shè)置為光滑壁面。注液狀態(tài)邊界條件見圖10。

圖10 注液狀態(tài)邊界條件示意圖

(1)當(dāng)STEP=0，加樣針和反應(yīng)杯中空氣體積占100%；STEP=1，入口兩相體積中純化水的體積設(shè)置為100%；STEP=1250時，入口兩相體積中空氣的體積設(shè)置為100%。

圖11 反應(yīng)杯內(nèi)流體運動隨時間變化示意圖

純化水從針尖注出后，以一定的速度沖擊反應(yīng)杯底部，在反作用力的作用下沿著杯壁向著杯口方向快速運動，最后在重力作用下回落至反應(yīng)杯底部。

(2)當(dāng)STEP=0，加樣針和反應(yīng)杯中空氣體積占100%；STEP=1，入口兩相體積中純化水的體積設(shè)置為100%；STEP=11500時，入口兩相體積中空氣的體積設(shè)置為100%。

圖12 增加純化水體積后反應(yīng)杯內(nèi)流體運動隨時間變化示意圖

純化水從針尖注出后，以一定的速度沖擊反應(yīng)杯底部，在反作用力的作用下沿著杯壁朝著杯口方向快速運動，最后在重力作用下回落至反應(yīng)杯中。由仿真結(jié)果可知，部分液體從反應(yīng)杯中濺出。

通過仿真結(jié)果可知，在加樣速度不變的條件下，隨著純化水體積的增加，純化水注入反應(yīng)杯的穩(wěn)定性變差，影響加樣的精度。

2.2.2 實驗驗證

搭建實驗平臺，在加樣速度不變的條件下，測試不同體積的液體加樣的穩(wěn)定性。通過實驗現(xiàn)象可知，在加樣體積較小時，液體無明顯的濺液現(xiàn)象；增大加樣的體積，有少量液體從反應(yīng)杯濺出至杯口，并有部分液體粘在反應(yīng)杯壁上。實驗現(xiàn)象顯示，在加樣速度不變的條件下，隨著注出液體體積的增加，純化水注入反應(yīng)杯的穩(wěn)定性變差，影響加樣的精度，且實驗結(jié)果和仿真結(jié)果分析一致。實驗現(xiàn)象見圖13。

圖13 實驗現(xiàn)象示意圖

3 討論

通過理論計算得到針內(nèi)流體層流條件下的液體流速區(qū)間，仿真模擬加樣針內(nèi)流體的運動特性。層流速度條件下，由于針內(nèi)壁摩擦力的作用，純化水的動能不足以克服針內(nèi)壁的摩擦力，純化水流沿著針內(nèi)壁不規(guī)則流動，加樣針內(nèi)的空氣和純化水混合在一起，空氣未能起到隔離的作用。層流速度條件下，增大加樣速度，針內(nèi)純化水的流速以拋物線的方式分布，空氣起到隔離純化水和系統(tǒng)液的作用。通過實驗驗證，層流條件下，通過優(yōu)化加樣速度，液體的定量數(shù)據(jù)波動范圍小且動態(tài)特性較穩(wěn)定，實驗結(jié)果與理論計算和仿真分析的結(jié)果一致。

在加樣速度一定的條件下，隨著純化水體積的增加，純化水注入反應(yīng)杯的穩(wěn)定性變差，影響加樣的精度。通過實驗驗證表明，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果分析一致。

本研究采用流體仿真軟件，以純化水為研究介質(zhì)，采用流體仿真的方法復(fù)現(xiàn)實際加樣的過程，并結(jié)合理論分析和實驗結(jié)果，分析加樣速度與加樣量等因素對加樣過程的動態(tài)特性的影響，為微量液體高精度加樣提供理論支持。實際應(yīng)用中反應(yīng)杯內(nèi)壁存在一定的粗糙度，且反應(yīng)杯內(nèi)壁存在一定的掛液現(xiàn)象，因此，有必要對反應(yīng)杯內(nèi)壁掛液的現(xiàn)象做進(jìn)一步研究，驗證掛液現(xiàn)象對生化分析儀測試結(jié)果的影響。

4 結(jié)論

通過理論計算、仿真分析及實驗驗證表明，在針內(nèi)壁面摩擦力作用下，通過優(yōu)化加樣速度提升液體的動態(tài)穩(wěn)定性，空氣隔離柱可以有效隔離系統(tǒng)液和試劑，避免試劑在針內(nèi)被系統(tǒng)液稀釋，有利于提高加樣的精度及穩(wěn)定性。因此，合理的匹配加樣速度和加樣量，有助于改善加樣的動態(tài)特性，提高加樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。