序言：如果内科医生有一种简单、快捷的一次性的器具，像现在的家用测孕一样，用来探测DNA，或者拥有其它价格低廉的生物传感器来探寻具体的血蛋白和其他的生物物质，都将在遗传疾病的诊断和治疗上带来到巨大的帮助。随着在基于微流体的芯片实验室概念的提出，这些方案都有望成为可能。
图1 Meinhart副教授（右）和助理研究员Gaurav Soni（左）在实验室中研究一个微流通道器件。
加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的Carl Meinhart副教授研究组正在研究如何通过设计新型的微流器件来提高生物探测器的性能实现快速探测生物分子。Meinhart副教授既是一个实验学家，也是一个数值模型专家。他使用COMSOL Multiphysics发展和验证解释实验现象的理论，来确认那些理论和实验结果相吻合。这样以来，为把他的研究成果拓展到多个应用领域，如搅拌、泵浦、微量流体的混合等方面，打下了坚实的基础。他开始微流体的研究是因为考虑到在生物探测器中的应用和巨大的商业潜力。现在对于低浓度样本的测试需要数十个小时，而他发明的一些微通道器件，通过在控制电极上的电压来实现搅拌控制，将会把这个时间缩为原来的十分之一。
发现完美匹配
在介绍模型建立之前，首先介绍杂交物理过程，就是在互补区域形成碱基对。许多DNA检测就是使用这项技术来探测特定序列的脱氧核苷酸（oligio-nucleotides）的存在浓度。一种探测技术通过微通道表面放置特定已知的单链DNA。微通道器件中的流体把未知单链DNA分子传送到结合表面。如果互补匹配存在，DNA在结合表面上发生杂交，并产生与浓度相关的光或电信号。理论认为DNA扩散到表面会限制杂交的速率，所以探测系统通过微搅拌来加速反应发生。尽管Meinhart博士还没有从实验上证实这个想法，但是他有把握相信，他们的研究组正在研究如何实现这项技术在工业探测器上的应用。
为了实现他的新奇的构思，Meinhart博士设计了一个直径为40um，长250um的微通道器件（如图1所以）。没有任何电的激励，分析物的传输到反应表面是比较慢的，因为在通道中的层流平行于反应表面。因此主要传输是通过垂直于流向和表面的扩散过程。如果扩散限制反应的速度，探测的过程将长达10小时左右。
图2 流体从微通道的左端流向右端，优化的交流电压施加在底部的电极上来改善结合表面的吸附速率。
Meinhart博士和他的研究组发明了一种方法通过使用交流电动流来改变反应表面附件流体的流向，从而增加分析物的传输速率。他们在结合表面的对面通道壁上放置两个电极。当施加电压时，交流电驱动力在流体中形成了一个涡流，使得更高浓度的分析物向结合表面传输，达到增加反应速率的目的。Meinhart博士解释说：“通过设计电极和优化驱动电压，有望把探测时间缩短到原来的十分之一，从10个小时缩短到1个小时。”对一个要进行大量的测试实验的实验室来说，时间上的减少意义尤为重大。
六个物理过程耦合
使用电驱动搅拌流体的方法是相当复杂的，包括许多的物理过程，其中包含着三个主要的物理现象。第一个是双向电泳力，在这个力的作用下，分子在外加电压的作用下形成了类电偶极子。第二个现象就是在流体上的电热力。电极产生了交流电场，形成的非均匀焦耳能量对流体进行加热。电导率和介电常数是温度的函数，因此由于加热形成的这些参数的梯度分布产生了库仑和介电力，这些力充当电热力来改变流体的流向。第三个力的产生是由于电渗作用。流体是导体，所以施加在电极上的电压触发了流体中平衡电势的离子的产生。这导致电极表面附着有一薄层纳米级的离子。电场沿着电极表面的法线方向，如果离子层只有几十纳米厚的时候，电场会有一个小的切向分量，这个渗透力对流体的流向会起到一定的作用。
Meinhart研究组在实验上对这些力进行了研究。他们把实验结果和数值仿真结果进行了比较，来验证不同理论的有效性。建立这样的数值模型非常复杂，因为问题中包含了大量的物理过程，包括电势、电场、温度、电导率和介电常数、流体速率、分析物浓度、以及一阶均相反应。模型同时耦合了六个方程：
——求解基础静电学的Laplace方程。
——求解热-能量方程，其中电场作为热源。
——计算由静电学和温度产生的非线性电热力。
——求解描述通道内流体速度场的电热力作为源项的Navier-Stokes方程。在电热力方程中，在低频时，主要是库仑力，在高频时，主要是介电力。
——求解时间相关的传导对流参数方程预测在微通道内分析物悬浮浓度。
——求解一维均相反应方程并耦合一维结合表面到两维微通道。
为了协助建立能包含所有因素的生物探测器的精确数值模型，Meinhart研究组在2000年开始使用COMSOL Multiphysics。“在那之前”，Meinhart博士说，“没有商用的软件包可以解决所有的物理问题。要自己开发研究微通道的代码需要付出许多年时间。然而使用COMSOL Multiphysics，一个有经验的研究人员可能只需要一星期的时间。与此同时，一些其它的具有能处理多物理问题的商业软件包开始出现，但是这些软件包的适用范围都非常狭窄，并不能满足人们研究不同物理问题的需要。即使幸运的找到了一个合适的软件包，却很难把不同的物理问题在一个环境下联合处理。和这些软件不同，COMSOL Multiphysics在这些方面具有非常好的优越性和灵活性。如果不能确定控制方程，可以通过尝试许多方程或者选项或者甚至可以建立自己的方程，直到最终找到合适的方程去解决问题。”
当内建方程不足
Meinhart博士指出在这个问题里包含的奇耦合，特别是电热搅拌必须考虑到电场、流体的加热、非均匀结合力等因素。当考虑这些效应的时候，他发现没有模块包含着合适的方程。例如在计算DEP力的时候要计算在边界上的一阶和二阶势场导数。在这种情况下，就可以通过自己直接建立自由形式的方程直接导入到COMSOL Multiphysics中进行计算。
建立这个模型最具挑战性的部分就是化学方应的处理。Meinhart小组把一维结合表面的几何模型耦合到代表微通道的两维几何模型中。“在这两个几何模型上如何耦合物理问题，最初使我们感到很为难。” Meinhart博士说，“最终通过学习COMSOL Multiphysics课程中一个和我们很相似的例子之后，解决了我们的问题。我们很快发现这些课程对于建立更高级的模型具有非常宝贵的意义。”
在他们的模型里，从左端流入向右传输的流体样本中的含有低浓度的生物分析物。在两个电极不施加电压的情况下，流体剖面具有充分发展层流的特征，也就是说，抛物线流速剖面在通道壁上为0。通过流体传输的分析物在反应表面上边界吸附，剩下的分析物随着流体从通道的右侧流出。模型求解稳态流与给定的电场和电热合力的相互作用。作为比较，Meinhart小组仿真了初始浓度为0，流体从通道口注入的动态传输平衡情况。
从图2可以看出，当交流电压施加在电极上时，速度剖面不再是抛物线，而方向向结合表面变化。这反映了在电场存在的情况下，分析物浓度向结合表面传输的速度大大加快。研究发现施加在电极上的电压达到14V rms时在最初的几分钟内可以把结合速率提高近5倍。通过COMSOL Multiphysics的仿真，优化电极的几何形状和位置，可以将这项技术应用在众多类型的微流免疫传感器中。
图2 在电极上施加特定电压5秒钟后流搅拌流体流动，使得分析物聚集在反应表面附近的狭窄路径上。图中颜色代表反应分析物的浓度箭头代表速度场。
Meinhart小组为了量化电场对结合速率的增强作用，他们对比了在有无电场的情况下的分析物在反应表面的结合速率，如图3所示。电极上施加10V rms电压，在最初的5秒内边界分析物浓度提高了1.5倍，这个增强作用随着时间的增加逐渐增大。此外，从曲线的斜率可以看出，分析物的结合速率大约是电动流存在情况下的1.5倍。
图3 利用COMSOL Multiphysics绘制的分析物平均浓度和时间的关系图。图中曲线反映了电极上施加10 V rms信号，在最初5s内边界分析物浓度提高了1.5倍，随着时间增加提高倍数之间增加。曲线斜率
表示分析物的结合速率，同样是电动流情况下的1.5倍。
快速研发新产品
Meinhart小组使用COMSOL Multiphysics建立模型并正在受益，如同研究结合表面和电极的位置一样，他们可以快速有效的仿真不同几何形状对微通道的影响，他们同样可以研究在不同的激励电压下的情况。这样以来，他们可以快速的优化特定生物探测器应用方面的基本规律，这些应用主要是用来检测注入到各种流体中的分析物。在生物探测器制造业中，COMSOL Multiphysics建立的这些模型催生了基于这项突破性技术的新产品，并更快的把它们推向市场。另外，Meinhart博士作为在生物微机电领域的独立顾问，COMSOL Multiphysics使得他成为了紧密联系基本理论和数值模拟的实验主义者。Meinhart 博士说，“相比市场上其他同类产品，COMSOL Multiphysics具有很高的灵活性，这使得它成为我非常有用的工具，因为我从来都不知道未来将要面对什么样的物理问题。”
COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
参考文献
S.P.A. Ramos, H. Morgan, N.G. Green, and A. Castellanos, “AC electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures,” J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 31, 1998, pp. 2338-2353.
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com
