一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，涉及介电泳技术领域，该方法括：建立多相流中相场模型；采用有限单元法获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力；将介电泳力作为外力项输入到多相流中相场模型中，再求解多相流中相场模型以实现间接耦合；采用格子玻尔兹曼方法计算多相流中相场模型，对芯片中电场强度分布进行计算以及对粒子的运动轨迹进行追踪征。发明专利技术既能发挥有限单元网格方法求解电场的优势，又能发挥格子玻尔兹曼法求解微尺度流动和柔性细胞变形的优势，可根据仿真结果来对芯片结构进行优化，为微流控介电泳芯片的设计和制造提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法
本专利技术涉及介电泳
，具体而言，涉及一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法。
技术介绍
微流控芯片技术把生物、化学分析过程的样品制备、预处理、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，可实现流体、微纳粒子或液滴的运输、混合、分选、富集、逻辑运算等操作，对生命科学和信息科学的发展具有重要的战略意义。在非匀强电场下，溶液中微纳尺度的介电粒子(如聚合物粒子、多种细胞、细菌、病毒、DNA、液滴等)会受到介电泳(DEP)力的作用而向电场强度最强或者最弱的区域聚集，分别称为正介电。生物粒子(如病毒、细胞、核酸等)的分离是生物检测技术中最基础也最为关键的一环。传统的粒子被动分选方法(如离心法、确定性横向迁移方法)所需样本量大、且分离精度低，分选成本高，无法满足现代医学对疾病检测的高精度、低成本、高效率的要求。介电泳技术基于中性介电粒子对空间不均匀电场响应的原理，根据目标粒子的特定物理属性施加特定电场，从而将目标粒子从样本中分离出来。这是一种新型的主动分选技术，其所要求的样本量小，分选精度高，并且可以针对特定目标进行筛选，是一种新兴的生物粒子分离技术。介电泳分选芯片的目标粒子多为细胞、病毒之类的生物粒子，他们具有生物活性，在遇到较大外力时可能发生变形甚至破裂失活。为了研究介电泳芯片中的粒子在介电作用与流场作用下的运动和变形情况，除实验外还要进行仿真模拟研究。为了实现介电泳分选芯片的仿真，需要一种耦合电场与流场、同时能体现现细胞变形特征的仿真方法。
技术实现思路
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术实施例提供一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，采用有限单元(FiniteElementMethod，FEM)-格子玻尔兹曼(LatticeBoltzmannMethods，LBM)间接耦合方法，简称FEM-LBM间接耦合方法，流体和微粒的多相流动及相界面的追踪通过格子玻尔兹曼法求解，而电场和介电泳力采用有限单元进行求解，通过将求解微粒所受到的介电泳力以外力项的形式传递到流体流场流动中来实现两者之间的间接耦合，得到介电泳分选芯片中粒子运动轨迹和形变特征。需要说明的是，在阐述本技术方案时，有限单元(FiniteElementMethod，FEM)简称有限单(FEM)，格子玻尔兹曼方法(LatticeBoltzmannMethods，LBM)简称格子玻尔兹曼方法(LBM)。本专利技术的实施例是这样实现的：一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，包括以下步骤；建立粒子的模型，所述粒子的模型包括多相流中相场模型；采用有限单元法(FEM)获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP；将介电泳力FDEP作为外力项输入到所述多相流中相场模型中，通过输入所述外力项的电泳力FDEP影响粒子相的宏观速度u，进而影响多相流中相场模型的源项R，再求解多相流中相场模型以实现间接耦合；采用格子玻尔兹曼方法(LBM)计算所述多相流中相场模型，对所述芯片中电场强度分布进行计算以及对粒子的运动轨迹进行追踪以获得粒子在介电泳力FDEP的作用下的运动特征。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP的方法包括建立：质量守恒方程；其中，ρ为流体密度，u为流体速度矢量；动量守恒方程；其中，u为流体速度矢量，ρ为流体密度，p为压力，μ为流体的动力粘度，fv为单位质量流体的体积力；拉普拉斯方程；其中，E别为电势和电场强度；粒子运动方程；其中，up为粒子运动速度，ρp为粒子密度，u为流体速度，ρ为流体密度，g为重力，FD为曳力，FDEP为粒子受到的介电泳力；采用有限单元法(FEM)求解式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)得到粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述多相流中相场模型为：hi(x+eiδt,t+δt)-hi(x,t)＝-Ωij[hi(x,t)-heq(x,t)]+δtRi(x,t)(6)其中，hi(x,t)为t时刻下x格点处沿ei方向运动的相场变量分布函数，Ωij为碰撞矩阵Ω的元素；Ri(x,t),heq(x,t)分别为源项和局部平衡态分布函数，与选择的格子模型有关，可表示为：其中，M、I和S分别是变换矩阵、单位矩阵和对角矩阵，wi、cs和ei分别表示为格点的权系数、格子声速和i方向的离散速度，具体取值与格子模型有关，η为迁移率调节系数，u为宏观流体速度，μ为化学势，Φ为相场变量，μ和Φ满足Cahn-Hilliard方程：其中，M为迁移率。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，在所述格子玻尔兹曼方法(LBM)的计算中选用二维D2Q9速度模型。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述有限单元法(FEM)计算所使用的软件为ComsolMultiphysics5.4，从ComsolMultiphysics5.4中选用低速蠕动流模块、电流模块和粒子追踪模块，对所述芯片中电场强度分布进行计算以及对刚性粒子的运动轨迹进行追踪。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述低速蠕动流模块中，设置几何边界AB边，CD边为速度入口边界，HG边，EF边为压力出口边界，出口压力为0Pa，其他边界设置为壁面。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述电流模块中，设置几何边界L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7为电势边界；其中，L1,L3,L5,L7的电势正值，L2,L4,L6的电势为负值，两个值的绝对值相等，其余几何边界均为绝缘边界。在本专利技术的一些实施例中，一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，所述粒子追踪模块中，设定粒子所受力为流体曳力和介电泳力FDEP，粒子释放位置为AB边界附近固定点，粒子与壁面作用为反弹模式，粒子介电属性设定为单体球壳模型。本专利技术实施例至少具有如下优点或有益效果：本申请技术方案采用FEM-LBM间接耦合的仿真方法求解介电泳芯片粒子问题，相对于传统的仿真方法，该专利技术既能发挥有限单元网格方法FEM求解电场的优势，又能发挥格子玻尔兹曼法LBM求解微尺度流动和柔性细胞变形的优势。在仿真中观察到了细胞在介电泳力作用下的运动特征，也观察到了细胞在各个位置的变形特征。可以根据仿真结果来对芯片结构进行优化，为微流控介电泳芯片的设计和制造提供了新的思路。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n建立粒子的模型，所述粒子的模型包括多相流中相场模型；/n采用有限单元法获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力F

【技术特征摘要】
1.一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立粒子的模型，所述粒子的模型包括多相流中相场模型；
采用有限单元法获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP；
将介电泳力FDEP作为外力项输入到所述多相流中相场模型中，通过输入所述外力项的电泳力FDEP影响粒子相的宏观速度u，进而影响多相流中相场模型的源项R，再求解多相流中相场模型以实现间接耦合；
采用格子玻尔兹曼方法计算所述多相流中相场模型，对所述芯片中电场强度分布进行计算以及对粒子的运动轨迹进行追踪以获得粒子在介电泳力FDEP的作用下的运动特征。


2.根据权利要求1所述的一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，其特征在于，所述获取粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP的方法包括建立：
质量守恒方程；
▽·(ρu)＝0
(1)
其中，ρ为流体密度，u为流体速度矢量；
动量守恒方程；



其中，u为流体速度矢量，ρ为流体密度，p为压力，μ为流体的动力粘度，fv为单位质量流体的体积力；
拉普拉斯方程；






其中，E别为电势和电场强度；
粒子运动方程；



其中，up为粒子运动速度，ρp为粒子密度，u为流体速度，ρ为流体密度，g为重力，FD为曳力，FDEP为粒子受到的介电泳力；
采用有限单元法求解式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)得到粒子受到的随时间和空间变化的介电泳力FDEP。


3.根据权利要求1所述的一种微流控介电泳分选芯片的间接耦合仿真方法，其特征在于，所述多相流中相场模型为：
hi(x+eiδt,t+δt)-hi(x,t)＝-Ωij[hi(x,t)-heq(x,t)]+δtRi(x,t)(6)
其中，hi(x,t)为t时刻下x格点处沿ei方向运动的相场变量分布函数，Ωij为碰撞矩阵Ω的元素；Ri(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志刚，邬泽聿，葛露明，蔡文莱，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44