仿真技术在基因芯片杂交仪微流路设计中的应用

鲁茗莉，陈 玮，程 鹏

仿真技术在基因芯片杂交仪微流路设计中的应用

鲁茗莉，陈 玮，程 鹏

目的：为了加快基因芯片技术的推广和应用，研制一种集基因芯片清洗、温育、杂交等于一体的新型仪器，使整个过程可在计算机控制下自动完成。方法：借助计算机辅助设计（computer aided design，CAD）技术，针对基因杂交仪微流路模块进行建模；借助计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）技术，应用CFX软件建模分析得到不同流路方式的液流情况；对固架承载结构进行静强度分析，得到其承载分布情况；对电加热模块进行热-固耦合分析，得到微流路模块热应力情况。结果：仿真技术为微流路设计提供了参考和依据，从而更高效地设计出了满足实验流程的基因芯片杂交、清洗微流路模块，避免了结构工艺因素的影响，使得到的实验数据更加科学可信。结论：运用仿真技术完成对微流路模块的设计研究，可以有效地缩短开发周期、节省试验成本，对于该类产品的试制与性能测试具有一定的参考意义。

基因芯片；杂交；热-固耦合；CFD；CFX

0 引言

基因芯片[1]集成了探针固相原位合成技术、高分子合成技术、精密机械技术和微光显现技术，可有效地对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测分析。基因芯片技术已经成为生物化学与分子生物学领域中一个非常重要的研究工具，广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、食品卫生监督、国防等许多领域。国外的多家大公司及政府机构均对此表现出很大的兴趣，并投以可观的财力。我们国家的生命科学、计算机科学乃至精密机械科学的工作者在该领域也取得了巨大成就。然而，基因芯片高通量的性质也使得基因芯片的结果容易受到实验过程中样品标记、预杂交、杂交及片基清洗等因素的影响[2]。

基因芯片杂交过程要求比较严格，预处理技术对其推广普及具有重要意义，但这方面的研究报道比较少。传统的基因芯片杂交过程是在封闭的杂交盒中，将标记好的样品点到基因芯片阵列表面，恒温下静置12～17 h，进行芯片杂交[3]。在芯片杂交过程中，由于液体中不同成分未进行充分混匀反应，会造成样品液滴在基因芯片表面不均匀。同时，由于操作过程需要大量人工干预，且完成检测需要消耗大量时间，整个过程可能会产生各种误差，影响了基因芯片技术的推广使用。为此，我们提出一种清洗、加样和温育混匀模块化杂交方法，通过微流路实现对同一阵列芯片进行清洗、温育、杂交等多种连续操作，将样品与芯片探针置于动态环境中进行杂交，确保单位体积内的样品与单位面积的阵列反应的概率相同，使得到的芯片数据更科学。

传统的设计往往是通过类比或经验来完成，设计思路保守，留有余量大，设计周期长，影响到系统整体方案的实施。为了确保新方案的有效实施，必须采用高效快捷准确的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）/计算机辅助工程（computer aided engineering，CAE）技术，提升设计质量，实现新产品的设计验证。

基因芯片杂交仪的总体设计思路是：借助CAD系统，基于实际工况进行整机设计。借助CAE系统对微流路进行流体仿真分析，对基因芯片固定架进行强度计算和热-应力耦合分析，及早发现设计缺陷，为设计人员提供依据和参考。从而提高设计质量，降低研发成本，缩短研发周期[4]。图1为基因杂交仪三维样机图，图2为基因杂交仪实物图。

图1 基因杂交仪三维模型图

图2 基因杂交仪实物图

在现代设计开发中，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但却影响产品整个成本的70%[5]。利用仿真技术完成产品结构设计、性能参数分析，其显著优点是缩短研发周期，降低试验成本，便于实施多方案的比较。

基因芯片杂交仪设计工作的核心是处理基因芯片微流路模块部分，即高度集成的微型样品处理系统。根据基因芯片杂交的流程原理，处理基因芯片微流路模块，使其具有清洗、温育和杂交一体化的特点。对这一模块进行多方案对比分析，优选最佳微流路模块，对于提高基因芯片杂交仪工作的稳定性和可靠性十分必要。

1 CFX软件分析计算

基因杂交仪微流路模块是完成清洗、温育和杂交的关键模块，要求各阵列区内液体流量、流速和温度等参数尽可能相同。为使微流路模块满足这一要求，分别设计了2种液体流路方式，通过计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）仿真分析，可以显示液体在流场中的运行轨迹。通过流场建模仿真方法，能预测液体流场性能并指导改变各参数，以便达到最佳效果。经CFD仿真分析后，可以深刻地理解所设计流路问题产生的机理，指导设计工作，从而节省人力、物力和时间，并有助于整理实验结果和总结规律等[6]，提升整机工作的稳定性和可靠性。

本文采用ANSYS-CFX软件对微流路模块进行仿真分析。CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，由英国AEA Technology公司开发。2003年，CFX软件被ANSYS公司收购。和大多数CFD软件不同，CFX除了可以使用有限体积法外，还采用了基于有限单元的有限体积法。作为世界上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件，其算法上的先进性、丰富的物理模型和前后处理的完善性使ANSYS-CFX在结果的精确性、计算稳定性、计算速度和灵活性上都有优异的表现[7]。

1.1 微流路模块前处理

采用PROE软件构建微流路模块三维仿真分析模型，PROE与ANSYS软件具有良好的数据接口，可有效避免格式转换所造成的信息丢失或模型缺损。

按实际模型进行三维建模，确保模拟仿真结果更加接近实际工作情况，2种用于分析的模型如图3、4所示。

图3 独立通道微流路三维模型图

图4 共用通道微流路三维模型图

图3中的各阵列液路为独立单元，对其中一路进行仿真分析即可，构建出用于CFX分析的三维模型，如图5所示。

图5 独立通道微流路CFX分析三维模型图

图4中的各阵列液路互相关联，对其整体建模进行仿真分析，构建出用于CFX分析的三维模型，如图6所示。

图6 共用流路通道微流路CFX分析三维模型图

三维模型构建完成后，可直接导入到ANSYS Workbench中。对于管道内的液体，当流动方向发生改变时，会对管壁施加压力，在划分网格时应做加密处理，从而使分析结果更加精确。构建有限元模型如图7、8所示。

其中，流体材料设置为水。用CFX对流场进行仿真分析，流场的设置主要是对水的性质进行设置，例如温度、密度、传热系数等。微流路模块采用固定约束，流体以5m/s的速度流进入口，出口处相对压力为0 Pa，流固耦合面设定为WALL[8]。

图7 独立通道微流路CFX分析有限元模型图

图8 共用通道微流路CFX分析有限元模型图

1.2 微流路模块流-固耦合分析

本文所选的是k-Epsilon流体方程模型，选取室温条件和isothermal热传递模式。计算后得出2种微流路方案流体流动变化云图，如图9、10所示。

图9 独立通道微流路CFX云图

图10 共用通道微流路CFX云图

图11 独立通道微流路对阵列模块清洗效果

图12 共用通道微流路对阵列模块清洗效果

通过上面的仿真分析可以清晰了解到，在液路管径变化处液流速度有变化，独立通道微流路模块能达到8.917 m/s，各阵列模块操作一致性好；共用通道微流路模块能达到6.8m/s，共用通道微流路模块沿流动方向速度渐变，进入各阵列中的液体量不同，各阵列模块的操作一致性差。具体实验得出的结果如图11、12所示。

尽管独立通道微流路模块的连接管线更复杂，但基因芯片阵列区的液流覆盖面更均匀，各阵列区清洗过程中差异更小，更能保证基因芯片杂交、清洗的可靠性和稳定性，具体设计工作应以此为依据。

2 强度分析

利用有限元分析软件对钻机工作装置导向架进行静力学分析，获得导向架的应力及位移分布，找出应力集中点与主要应变部位，为设计后期对导向架的改进提供了依据。对导向架进行模态分析，提取了导向架水平位置时的固有频率与振型，获得较为直观的结论，为优化导向架提供了依据。同时也明确了钻机在工作过程中应避免的危险频率，以避免共振现象的发生。

2.1 微流路模块固定结构架三维模型的建立

微流路模块固定结构架是保证清洗、杂交液路密封的关键。微流路模块固定结构架如图13所示。

图13 微流路模块固定结构架模型图

根据基因芯片预处理的设计要求，通过CAD系统设计微流路模块固定结构架三维几何模型。基因芯片固定安装结构设计为层压式压紧密封结构，其中，内框架结构为主要施加压力部件，为确保其结构更加合理，本文通过ANSYS静强度分析模块对设计结构进行仿真分析，为设计工作提供依据。分析用内框架结构三维模型如图14所示。

图14 微流路模块内框架三维模型图

2.2 微流路模块固定架有限元分析

线性静力结构分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。根据基因芯片的实际工况，添加施力载荷与边界条件：（1）约束销轴孔面、销轴3个方向的平动和转动；（2）为确保液路密封，内框架施加50N垂直向下压力；（3）进行网格划分，生成有限单元网格。

内框架采用轻质硬铝合金，密度为2 770 kg/m3，泊松比为0.33，弹性模量为71GPa。更新网格，添加边界条件，完成后的有限元模型如图15所示。

图15 内框架有限元模型

内框架有限元网格采用10节点四面体单元，这一有限单元可保证计算的足够精确性。划分完成后网格的单元数为11 810，节点数为21 828。随后进行施力载荷与约束边界条件的添加。

ANSYS后处理模块对内框架有限元模型进行分析计算后，得出其应力分布情况如图16所示，应变分布如图17所示。

图16 内框架应力云图

图17 内框架变形云图

通过上面的计算我们可以分析出，由于压应力相对较小，内框架靠近中部4个面受力最大，其最大值为17.1MPa，远低于铝合金的屈服强度300MPa。最大变形量为外部4个面，最大变形量为0.02mm，整体承力变形较小，满足设计要求，还可以进一步优化结构。

3 热-固耦合分析

在基因芯片杂交过程中，将样品点到芯片阵列表面后，为保证反应充分，应对基因芯片进行必要的温育培养。作为微流路模块，其整体尺寸比较紧凑。因此，设计出合理的恒温加热结构是我们设计工作重点考虑的方面。

根据基因芯片的实际工况，建立相应的分析用模型，然后将分析模型导入到ANSYS软件的相应分析模块中进行有限元建模分析，经分析计算后得到基因芯片固定架的热应力、热变形情况，预测设计产品的热变形情况，为合理设计加热结构提供指导。

ANSYS热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，计算所有有限元各节点的温度，并导出其他热物理参数[9]。对于微流路模块只有加热而没有做功发生，属于稳态热分析问题，而对于稳态热分析，流入系统的热量等于流出的热量，任何一个节点的温度不随时间变化，其能量平衡方程为

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状函数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包含热生成。

热耦合场分析通常考虑2个或多个工程物理场之间的相互作用。微流路模块装配件中由于加热组件的存在，在设计中应充分考虑物体的热胀冷缩原理带来的影响，必须进行热-应力耦合分析，通过仿真分析计算得到基因芯片固定架底板受热不均匀产生的热应力。

3.1 建立三维CAD模型

对图13中的微流路模块固定结构架三维几何模型进行建模分析。其中，环境温度为27℃，加热组件设置温度为50℃，外部为自然对流环境。

借助ANSYS前处理模块直接生成节点和有限元单元，生成有限元网格的单元数为37 036，节点数为69 241。有限元网格划分完毕后，添加施力载荷与约束边界条件如下：

（1）微流路模块固定结构架底平面3个方向的平动和转动固定；（2）对微流路模块固定结构架进行有限单元网格划分和生成。

微流路模块固定架的有限元模型如图 18所示。分析得到热分布云图如图19所示。

图18 固定架有限元模型

图19 固定结构架热分布云图

3.2 热-应力耦合分析

为设计合理的零件间隙，避免热应力造成零件间挤胀变形，部件装配体热-应力耦合分析如图20所示。

底部装配件间装配余量小，由于加热膨胀造成相互间产生较大挤胀力，达到89 MPa，存在比较大的设计缺陷，应在保证热传递的基础上，加大装配间

（►►►►）（◄◄◄◄）隙，避免零部件的变形影响到液路的密封。

图20 热应力分布图

4 讨论

基因芯片应用是一个多阶段流程，一个好的基因芯片杂交结果具有探针信号背景低、信噪比高的特点。目前，研究如何通过提高基因芯片杂交工艺提升芯片杂交效果，减少应用过程中其他因素的影响还未得到重视。通过提高基因芯片杂交过程的自动化水平，改善基因芯片杂交环境，减少实验误差导致的数据变异是可行的。

借助CAD技术构建基因杂交仪关键液路模块三维模型，利用ANSYS-CFX流-固耦合方法进行数值仿真分析，可以明晰不同流路的设计方案；利用ANSYS静力学分析模块对主要承力部件进行静强度计算，根据得到的应力应变分布情况，对关键结构尺寸作以调整，减少应力应变，可达到结构优化的目的；利用ANSYS热-固耦合方法仿真分析加热结构件的工况，可为改进设计提供参考和依据。

在产品设计开发过程中，借助CAD/CAE技术进行建模和仿真分析，为设计人员提供设计依据和参考，是现代设计发展的必然趋势。仿真分析技术不仅是提高设计方法和手段的有利工具，而且对提升设计水平、提高设计前瞻性及设计的准确性都有重要意义。

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[2]Burgoon LD，Eckel-Passow JE，Gennings C，etal．Protocols for the assurance ofmicroarray data quality and process control[J].Nucleic Acid Research，2005，33：e172．

[3]Vivian GC，MichaelM.Making and readingmicroarrays[J].Nature NatGenel，1999，21（1）：15-19.

[4]谢友柏.在互联网上实现合作设计[J].航空制造技术，2001（2）：23-27.

[5]邱继艳，张建峡.复杂系统稳健性建模与优化[J].现代机械，2011（1）：60-62.

[6]浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010：270.

[7]丁源，吴继华.ANSYSCFX14.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013：18.

[8]费文平，杨建东，孙利华.管道系统流体——结构耦合边界条件的分析方法[J].武汉水利电力大学学报，1997，30（6）：10-14.

[9]陈云，徐晨.有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用[J].电子工程师，2007，33（2）：9-11.

（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

鲁茗莉（1982—），女，硕士，主要从事生物医学工程方面的研究工作。

100850北京，军事医学科学院实验仪器厂（鲁茗莉，陈 玮，程鹏）

陈 玮，E-mail：chw69221@126.com