徐 瑩,胡正添,郭 淼

(杭州電子科技大學(xué)生儀學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所,杭州 310018)

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基于微生物代謝成分的電化學(xué)多參數(shù)檢測(cè)平臺(tái)微泵設(shè)計(jì)*

徐 瑩,胡正添,郭 淼*

(杭州電子科技大學(xué)生儀學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所,杭州 310018)

本文提出一種基于抗生素作用下的微生物膜阻抗及代謝液微量殘留物分析的電化學(xué)并行檢測(cè)平臺(tái),從量化角度實(shí)時(shí)反映抗生素對(duì)微生物的膜貼附變化及代謝成分的影響。根據(jù)現(xiàn)有抗生素電化學(xué)檢測(cè)單元的檢測(cè)精度,待測(cè)生理溶液的進(jìn)樣體積需控制在20 μL/min～100 μL/min,因此本文針對(duì)平臺(tái)中的關(guān)鍵部分——微泵單元采用有限元設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了靜力場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)和流體場(chǎng)的綜合分析,確保微泵工作流量的精確性和可控性。分析結(jié)果得到設(shè)計(jì)的微泵在施加20 Hz,±40 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的流量為52.864 μL/min,并得出流量與電壓及頻率的關(guān)系式來(lái)控制流量的變化;在該基礎(chǔ)上對(duì)微泵被動(dòng)閥做了力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì),分析得出閥臂固支端優(yōu)化尺寸為0.4 mm×0.5 mm;最后以商用PSS20型微泵為仿真對(duì)象做了相關(guān)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),得到仿真流量的誤差率為6.7%,驗(yàn)證了本方法的可行性和準(zhǔn)確性,為后期微泵的制作、改進(jìn)以及多參數(shù)檢測(cè)平臺(tái)的搭建提供了良好的設(shè)計(jì)參考。

生物電阻抗檢測(cè)平臺(tái);電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái);抗生素殘余檢測(cè);微泵有限元設(shè)計(jì)

離體生物電阻抗測(cè)試技術(shù)已成為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)研究細(xì)胞及微生物代謝活動(dòng)和藥物研究的重要手段,如各種基于生物膜的電阻抗傳感器技術(shù)ECIS(Electric Cell-Substrate Impedance Sensing)[1-3]和基于農(nóng)藥檢測(cè)、海產(chǎn)品毒素的電化學(xué)分析技術(shù)等[4]。但是目前國(guó)際上一般的細(xì)胞生理信號(hào)檢測(cè)儀通常側(cè)重對(duì)單一的細(xì)胞生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析,而測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性(各種噪聲源、長(zhǎng)期浸泡于培養(yǎng)液對(duì)電極的腐蝕等)又會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾,因此需要對(duì)多種相關(guān)的生理參數(shù)進(jìn)行快速、高通量的并行檢測(cè)分析來(lái)提高檢測(cè)的精確性?；谏鲜鏊枷?本文提出一種基于抗生素作用下微生物的膜阻抗及其代謝液微量殘留物分析的電化學(xué)并行檢測(cè)平臺(tái),該平臺(tái)在檢測(cè)生物阻抗變化的同時(shí)對(duì)代謝廢液中的成分進(jìn)行定量分析,共同說(shuō)明抗生素等刺激物作用所引起的微生物膜阻抗、貼附率及代謝環(huán)境的實(shí)時(shí)定量變化。

圖1為多參數(shù)生理檢測(cè)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)框圖,主要由微泵、微生物膜阻抗傳感器部件、多通道代謝液檢測(cè)陣列、電化學(xué)工作站及處理器組成。培養(yǎng)液隨微泵A泵入至有微生物的ECIS芯片腔內(nèi),待微生物生長(zhǎng)穩(wěn)定后泵入定量濃度的分析藥物,在藥物作用于微生物的同時(shí)控制微泵B向多通道代謝液檢測(cè)陣列泵液,實(shí)時(shí)檢測(cè)電阻抗變化以及代謝液中殘留藥物的濃度。目前課題組對(duì)微生物膜阻抗的檢測(cè)已制作完成相關(guān)芯片及相應(yīng)研究分析[5-6];而針對(duì)微生物代謝殘余液分析,也已完成對(duì)電化學(xué)微結(jié)構(gòu)芯片的設(shè)計(jì)制作,通過(guò)電化學(xué)方法對(duì)溶液中抗生素殘余量進(jìn)行定量檢測(cè)。

圖1 生理檢測(cè)平臺(tái)總體示意框圖

在檢測(cè)代謝液中殘留物的濃度的過(guò)程中,微泵將待測(cè)液泵入檢測(cè)腔,有效成分被電極陣列上的敏感膜吸附,引起對(duì)應(yīng)抗生素濃度的峰電流變化。由于代謝液中的殘余抗生素檢測(cè)具有微量、持續(xù)、實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)[7],因此檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是完成實(shí)時(shí)持續(xù)自動(dòng)微量進(jìn)樣。目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行微量取樣一般采用注射泵,但是注射泵靈活性較差,只能單向定量注射,無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)泵液,因此本平臺(tái)選擇可進(jìn)行實(shí)時(shí)泵液的薄膜式壓電微泵來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確向各腔體泵液。薄膜式壓電泵由于其具備工藝性好、制作成本低、便于小型化且生化兼容性好等方面的特點(diǎn),在生化、醫(yī)療領(lǐng)域中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)已設(shè)計(jì)的電化學(xué)微結(jié)構(gòu)芯片的檢測(cè)精度及電極反應(yīng)時(shí)間的需求(在測(cè)試周期內(nèi)每分鐘移液一次至步距相等的電極陣列),實(shí)際檢測(cè)時(shí)自動(dòng)泵入代謝液的流量需控制在20 μL/min～100 μL/min,但目前尚無(wú)合適的壓電泵來(lái)控制流量,傳統(tǒng)壓電泵精度低且體積大,而商用高精度壓電泵價(jià)格較高,且移植性差,限制了對(duì)系統(tǒng)的便攜化應(yīng)用。因此本文在前期平臺(tái)基礎(chǔ)上,主要設(shè)計(jì)含壓電驅(qū)動(dòng)部分的微泵單元來(lái)完成精確泵液,采用有限元分析方法對(duì)壓電微泵進(jìn)行了靜力場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)和流體場(chǎng)的綜合分析,模擬了器件的復(fù)雜工作狀況,并對(duì)各個(gè)場(chǎng)進(jìn)行耦合分析,從而可正確反映泵體內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,以獲得更精確的預(yù)測(cè)效果。

1 微泵及檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微泵是微流體系統(tǒng)中的核心部件,在輸送微量生理液時(shí),壓電泵具有比較明顯的優(yōu)勢(shì),因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,耐腐蝕性好,生物材料兼容性高。雖然微泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其動(dòng)力學(xué)特性和進(jìn)出泵腔的流體運(yùn)動(dòng)則是非常復(fù)雜的。研究難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先是微量樣品與檢測(cè)精確度的矛盾,微電極陣列體積小、需要的樣品量少、反應(yīng)速度快,這給檢測(cè)的精密度和準(zhǔn)確度都帶來(lái)了難度;其次,器件的微型化很容易因參數(shù)設(shè)計(jì)不妥導(dǎo)致微泵特性達(dá)不到要求,由于制造完成之后無(wú)法對(duì)器件進(jìn)行修改,只能用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì),因此在設(shè)計(jì)之前對(duì)器件的建模與仿真就顯得尤其重要,必須反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),使器件達(dá)到最佳性能,減少由參數(shù)設(shè)計(jì)不佳引起微泵特性差的設(shè)計(jì)失誤[8]。

實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)計(jì)的壓電微泵通過(guò)4層經(jīng)過(guò)深刻蝕的硅片鍵合,采用壓電晶體PZT4驅(qū)動(dòng)硅膜片的結(jié)構(gòu),z向極化的壓電晶體PZT4固定在硅膜上,兩個(gè)懸臂梁構(gòu)成了兩常閉閥,如圖2所示。

圖2 壓電微泵結(jié)構(gòu)圖

壓電微泵的工作原理是一個(gè)循環(huán)過(guò)程,當(dāng)在PZT上加正電壓時(shí),壓電晶體變形帶動(dòng)硅膜片向上彎曲變形,出口閥門關(guān)閉,入口閥門打開(kāi),泵外流體進(jìn)入泵室;當(dāng)在PZT上加負(fù)電壓,壓電晶體變形帶動(dòng)硅膜片向下彎曲變形,入口閥關(guān)閉,出口閥門打開(kāi),流體經(jīng)出口閥門被排出泵室;當(dāng)給微泵施加連續(xù)電壓信號(hào)如方波時(shí),驅(qū)動(dòng)膜片將有節(jié)律地往復(fù)運(yùn)動(dòng),泵內(nèi)壓力交替變化,流體則不斷從入口吸入、從出口排出,從而實(shí)現(xiàn)流體的輸送和自動(dòng)進(jìn)樣。由于壓電晶體上所加電壓的幅值和頻率直接影響微泵的每博輸出量和流量,因而在制備進(jìn)樣前必須對(duì)微泵性能及輸出進(jìn)行全面的特性分析。

圖3 壓電復(fù)合膜有限元網(wǎng)格劃分及形變位移圖

2 微泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析

2.1 微泵泵膜靜態(tài)和模態(tài)分析

壓電微泵是利用晶體的壓電特性驅(qū)動(dòng)泵膜振動(dòng)來(lái)工作的,因此泵膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是壓電微泵設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。泵膜通常是由壓電陶瓷和某種彈性體粘連所構(gòu)成的,又稱壓電振子。本文選擇的泵膜上層材料為壓電陶瓷PZT4,下層材料為單晶硅,在PZT4薄膜的上下面各有一層金屬薄膜電極。壓電陶瓷片與基板利用ANSYS軟件建立有限元分析模型如圖3(a)所示。該模型為軸對(duì)稱圖形,為提高精度并減少計(jì)算時(shí)間,抽取30°圓心角扇形作為模型,由于三維模型能更好反映泵膜工作的實(shí)際情況,采用三維模型來(lái)描述壓電復(fù)合泵膜。該模型采用壓電耦合分析,并選用ANSYS/Multiphysics模塊。泵膜使用單晶硅和壓電陶瓷兩種材料,選擇單元類型時(shí),壓電層的單元類型為SOLID95,是具有二十個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元,此單元可容許不規(guī)則形狀且不會(huì)降低精確性,較適合于圓形壓電振子結(jié)構(gòu)分析。單晶硅層的單元類型為SOLID5,為六面體實(shí)體單元。模型網(wǎng)格劃分時(shí),采用自由網(wǎng)格劃分,單元形狀為四面體單元網(wǎng)格。將驅(qū)動(dòng)電壓作為施加載荷,其邊界條件屬于周邊固支型。在靜力學(xué)分析中,選用SPARSE求解器或JCG求解器進(jìn)行分析求解。

通過(guò)對(duì)壓電微泵泵膜靜力有限元分析,在后處理中可以得到泵膜的形變位移圖,如圖3(b)和圖3(c)所示,圖3(b)是抽取的30°部分泵膜形變圖,圖3(c)是經(jīng)過(guò)對(duì)稱擴(kuò)展后的三維泵膜整體形變位移圖。由圖3可以看出,在電壓驅(qū)動(dòng)下,泵膜受到壓電層形變的影響,致使整個(gè)膜片發(fā)生變形,由于泵膜周邊固支,因此在泵膜中心處位移最大,整個(gè)膜片變形后呈拋物曲面。

壓電泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇是另一研究重點(diǎn)。由于在電壓及材料屬性確定的情況下可得到容積變化量與壓電層及基板的半徑、厚度之間的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)[9-10]可知,泵膜及基板厚度由于工藝條件的限制,通常取值在10 μm～300 μm之間,微泵的半徑根據(jù)不同流量要求通常在1 mm～10 mm之間,在誤差范圍內(nèi)壓電層及基板的直徑比D1/D2為0.7～0.8時(shí),泵膜變形量較大。綜合考慮流量的精度要求以及模型分析的復(fù)雜程度,設(shè)定泵膜、基板的厚度各為100 μm;泵膜半徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求流量,設(shè)定壓電層半徑為3 mm,單晶硅層半徑為4 mm。

基于上述結(jié)構(gòu)參數(shù)條件,本文研究了在電壓頻率為20 Hz,施加-40 V～140 V方波電壓時(shí)壓電振子中心點(diǎn)的振幅及整體的電壓—位移變形曲線。

圖4(a)、圖4(b)為不同電壓下泵膜截面與中心點(diǎn)的位移情況。從泵膜截面位移曲線可以看出,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值增大時(shí),彎曲擾度越大,泵膜上各點(diǎn)的位移也隨著增大,即微泵泵腔體積變化量增大。從泵膜中心點(diǎn)的位移情況可以看出中心點(diǎn)位移與驅(qū)動(dòng)電壓幅值呈正比關(guān)系,這種情況可以擴(kuò)展到整個(gè)泵膜上。以上分析可知,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓越高,驅(qū)動(dòng)力越大,泵腔的體積變化越大,壓電性能越好,工作效率越高。

微泵的工作效率不僅和施加的電壓大小有關(guān),而且還與微泵本身的結(jié)構(gòu)——PZT/Si之比相關(guān)。為了研究效率最高的半徑比,我們研究了在120 V電壓下,R1/R2(其中R1是泵膜壓電層半徑,R2是泵膜單晶硅層半徑)為8/16、10/16、11/16、12/16、13/16、14/16、15/16時(shí)的截面彎曲形變情況。圖4(c)、圖4(d)是隨著R1/R2的變化微泵泵膜截面與中心點(diǎn)的位移變化曲線。由這兩幅圖中曲線可以看出,隨R1/R2比值的增加,泵膜各點(diǎn)位移隨之增加,泵腔體積變化量增大,當(dāng)R1/R2>0.75時(shí)泵腔體積變化量開(kāi)始減小,泵膜中心附近的位移也開(kāi)始減小。因此,當(dāng)泵膜壓電層半徑與單晶硅層半徑比值在0.75左右時(shí),泵腔體積變化量最大,在其他條件一定時(shí),此時(shí)微泵效率最高。

圖4 泵膜截面與中心點(diǎn)的位移情況

微泵泵膜的固有頻率和振型也會(huì)影響微泵的工作效率,其參數(shù)可由模態(tài)分析獲得。在該部分仿真中,選擇了求解效率和計(jì)算速度較高的分塊Lanczos法(Block Lanczos Method,BLM)對(duì)泵膜進(jìn)行了多階模態(tài)分析,經(jīng)過(guò)一階到六階泵膜振動(dòng)形式的比較,得出泵膜在一階模態(tài)的固有頻率為23.961 kHz,其中心點(diǎn)變形量較大,整個(gè)壓電振子上各點(diǎn)的變形方向一致,形成腔體的變化量也較大,符合壓電泵對(duì)壓電振子的要求。因此通常選用的壓電泵電源工作頻率應(yīng)低于壓電振子的一階固有頻率,從而保證泵膜振動(dòng)形式穩(wěn)定。

2.2 微泵流量分析

在靜模態(tài)分析后,需要進(jìn)一步討論壓電振子的變形量對(duì)壓電泵的輸出流量性能影響。通過(guò)計(jì)算單個(gè)振子的變形量來(lái)計(jì)算壓電泵的泵腔容積變化量,以便從理論上來(lái)計(jì)算壓電泵的輸出流量,是一種方便且行之有效的方法。有關(guān)振子變形的理論,研究者進(jìn)行過(guò)論述[11-13],但因推導(dǎo)復(fù)雜,涉及太多參數(shù)而不便于計(jì)算。為了方便對(duì)壓電振子的振動(dòng)特性進(jìn)行解析分析,將壓電振子作為一個(gè)整體,即壓電晶片及硅基板組成的二層結(jié)構(gòu)的圓盤,研究硅基板底面的形變曲線,來(lái)分析整個(gè)泵腔的體積變化。同時(shí)根據(jù)壓電復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)形式,作如下假設(shè)與定義:①整個(gè)振子結(jié)構(gòu)是個(gè)圓形對(duì)稱結(jié)構(gòu),基板的外緣被固定。②壓電陶瓷和基板的厚度同各自的直徑比較要小得多,整個(gè)變形同整體結(jié)構(gòu)尺寸比較也要小得多。③膠層的厚度同壓電陶瓷和基板的厚度比較要小得多,因此膠層對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)變形的影響可以忽略不計(jì),且膠層對(duì)壓電陶瓷和基板的粘結(jié)是理想的。

電壓引起的壓電振子變形曲線數(shù)據(jù)可由有限元仿真得到,采用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到硅基板底面的形變曲線,通過(guò)對(duì)曲線的積分則可得到壓電泵每泵的輸出量。下面以圖4(a)中20 Hz時(shí)±40 V曲線為例計(jì)算壓電泵的輸出量。將結(jié)果進(jìn)行曲線擬合,可得方程為:

Y1=-11.46296X5+3917.295X4+7.69869×10-4X3-0.14224X2-8.76267×10-9X+1.24186×10-6U=40v(0≤x≤0.004)

(1)

Y2=11.46296X5-3917.295X4-7.69869×10-4X3+0.14224X2+8.76267×10-9X-1.24186×10-6U=-40v(0≤x≤0.004)

(2)

式中X代表基板底面上任意一點(diǎn)到基板圓心的距離,Y1代表在方波電壓為時(shí)+40 V時(shí)基板底面任意距離基板圓心X的點(diǎn)的振幅,Y2代表在方波電壓為時(shí)-40 V時(shí)基板底面任意距離基板圓心X的點(diǎn)的振幅,對(duì)以上兩式積分后可得微泵每博輸出量Vol為:

(3)

因此可以得到20Hz時(shí)壓電泵泵入、泵出流量Q為:

Q=Vol×f×60=44.053×20×60=52.863μL/min

(4)

式(4)中Vol為一個(gè)工作周期腔體容積的變化量,即微泵每博輸出量,f為工作頻率。

為了能精確控制壓電泵每泵的輸出量,根據(jù)式(4)研究了在相同頻率下,不同振幅方波電壓時(shí)壓電泵泵出的實(shí)時(shí)流量變化,以20Hz為例得到表1。

表1 20 Hz下不同振幅方波電壓下的壓電泵流量變化(流量單位:μL/min)

圖5 流量趨勢(shì)圖

將表1數(shù)據(jù)采用Origin多項(xiàng)擬合法進(jìn)行曲線擬合,得到流量與方波電壓的關(guān)系式為:

Qv=k(U1+|U2|),(U1≥0,U2≤0)

(5)

式(5)體現(xiàn)了流量與電壓的線性關(guān)系,在20Hz不同電壓下的壓電泵流量趨勢(shì)圖如圖5(a)所示,參數(shù)k隨不同的頻率而變化,在20Hz時(shí)k=0.661,從而得到流量與電壓的定量關(guān)系,相關(guān)文獻(xiàn)中也提到了流量與電壓的基本正比關(guān)系[14],因此壓電微泵的流量可由電壓進(jìn)行精確控制。

對(duì)于頻率與流量的關(guān)系可由式(4)得到,如圖5(b)所示,從圖中可以看到隨著頻率的增大,微泵的流量也逐漸增大,在驅(qū)動(dòng)電壓為±20V時(shí),根據(jù)Origin擬合得到流量與頻率的關(guān)系式為:

Qf=1.321 57f,(U=±20V)

(6)

因此可根據(jù)式(6),控制一定驅(qū)動(dòng)電壓下的頻率來(lái)改變微泵泵出的流量。

此外,通過(guò)改變電壓或頻率還能根據(jù)藥物作用于細(xì)胞的反應(yīng)情況來(lái)控制反應(yīng)腔內(nèi)藥物的濃度。假設(shè)反應(yīng)腔內(nèi)有V毫升均勻混合的抗生素溶液,濃度為a,現(xiàn)培養(yǎng)液以vin的速度泵入反應(yīng)腔,同時(shí)混合液以vout的速度泵出,vin≥vout,設(shè)tmin后腔體中的抗生素含量為S(t),則根據(jù)抗生素在混合液中的濃度比例式,即為:

(7)

(8)

式(8)通解形式為:

(9)

由式(9)可知,因?yàn)閍和V是已知的,所以只需控制vin和vout就可改變?nèi)芤旱臐舛?而vin和vout又可由施加在微泵上的電壓U及頻率f控制,因此可以改變施加在微泵上的電壓及頻率來(lái)控制反應(yīng)腔內(nèi)藥物的濃度。

本節(jié)主要對(duì)壓電振子對(duì)微泵的輸出性能做了研究,對(duì)不同電壓及頻率下泵膜的輸出性能做了理論分析。泵膜在微泵的壓電復(fù)合膜片決定了泵腔流量變化及壓力變化,這也決定了作用在入水和出水閥片上的壓力大小,為了防止壓力過(guò)大引起硅材料的破壞,在制備前對(duì)閥片進(jìn)行力學(xué)分析有著極為重要的意義。

2.3 閥片(懸臂梁)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析

由2.1節(jié)可知微泵的入/出口微閥門均由單晶硅微結(jié)構(gòu)芯片疊合而成。以入口閥為例,上層硅片蝕刻成懸臂梁閥片結(jié)構(gòu),下層是環(huán)形閥座結(jié)構(gòu)。通常狀態(tài)下,下層硅片上的入水孔被懸臂梁覆蓋住,泵腔保持密封狀態(tài),流體不能通過(guò)。當(dāng)閥座一側(cè)的壓力較高時(shí),微閥門處于導(dǎo)通狀態(tài),流體可在壓力作用下由閥座一側(cè)端口流向閥片一側(cè)端口。由于單晶硅材料力學(xué)性能好,抗疲勞性能優(yōu)良,因此微閥門選用(100)晶面的雙面拋光單晶硅片,采用體硅微機(jī)械加工技術(shù)制作。

微閥門設(shè)計(jì)必須考慮以下幾個(gè)方面:①易于開(kāi)啟,反向滲漏少。②承受壓力不能超過(guò)極限值,盡管硅材料的抗疲勞特性優(yōu)良,但是常溫下的脆性很大,因而在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮其拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的極限值。③為了使閥易開(kāi)啟,在考慮懸臂梁結(jié)構(gòu)時(shí)需優(yōu)化將固支端的截面積減小,同時(shí)又要保證在一定的水壓作用下不會(huì)斷裂。

假設(shè)閥體材料無(wú)缺陷,對(duì)未進(jìn)行優(yōu)化的方形微閥門(0.8mm×1.4mm×10μm)進(jìn)行有限元耦合場(chǎng)分析。采用ANSYSWorkbench-CFX的固流耦合分析方法,首先計(jì)算壓力變化下流體的運(yùn)動(dòng)和在閥上產(chǎn)生的壓力,再將此壓力作為閥片懸臂梁的載荷進(jìn)行靜力場(chǎng)的分析以得到變形結(jié)果,經(jīng)過(guò)多次各種場(chǎng)間的切換計(jì)算可最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。設(shè)閥片受壓面積與閥片接觸的孔尺寸為0.3mm×0.3mm,在20Hz,±40V下的分析結(jié)果得出主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在閥片懸臂梁的固支端,且固支端形變量為2.153 4×10-9m,形變量較小。

為了增大閥門的形變以便易于開(kāi)啟,對(duì)閥片懸臂梁的固支端進(jìn)行了優(yōu)化,并設(shè)計(jì)了3種優(yōu)化類型進(jìn)行比較,分別為:優(yōu)化1型,優(yōu)化值為0.6mm×0.5mm,一階頻率為11.144kHz;優(yōu)化2型,優(yōu)化值為0.6mm×0.75mm,一階頻率為11.074kHz;優(yōu)化3型,優(yōu)化值為0.4mm×0.5mm,一階頻率為9.200 5kHz。采用Workbench/StaticStructural模塊對(duì)3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的閥片在0～10 000Pa壓力下的變形和最大主應(yīng)力值進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的閥片形變量較優(yōu)化前均大了1.7倍左右,說(shuō)明優(yōu)化后的閥片易于開(kāi)啟;同時(shí)考慮所需承受的應(yīng)力要求,優(yōu)化3型最佳,若以硅的承受極限1GPa作為破壞值,其承受的最大水流壓力在8 000Pa內(nèi)。另外,設(shè)計(jì)參數(shù)中一階頻率低有利于通過(guò)單向閥的流量。結(jié)合以上分析,閥片3型可以作為理想的微閥門優(yōu)化形狀。由于應(yīng)力分析是在閥體材料無(wú)缺陷、加工時(shí)光潔無(wú)臺(tái)階和細(xì)小的毛刺下得到的,實(shí)際制作時(shí)對(duì)于固支端應(yīng)采用圓角過(guò)渡來(lái)避免銳角的應(yīng)力集中,以避免材料的斷裂和損壞。

以上討論僅在結(jié)構(gòu)場(chǎng)中展開(kāi),但是微泵的工作環(huán)境還牽涉到流體的運(yùn)動(dòng)和流固體間的相互耦合,為了描述流體在微泵中的流動(dòng)情況,分析微泵被動(dòng)閥在腔體液流環(huán)境下對(duì)流體的影響是十分有必要的。流體模擬在ANSYSCFX求解器中運(yùn)行,設(shè)置工作介質(zhì)為水,對(duì)流體施加無(wú)滑移邊界條件。在生成有限元單元過(guò)程中,采用自由網(wǎng)格劃分,單元形狀為三角形單元網(wǎng)格。通過(guò)后處理器得到的液流速度分布云圖(見(jiàn)圖6),從圖中可以看到溶液在泵出被動(dòng)閥的時(shí)刻水流速度最大,隨后逐漸減小,在泵出被動(dòng)閥的時(shí)候又逐漸增大;對(duì)3種優(yōu)化型的比較可以看出優(yōu)化3型腔內(nèi)的液流在泵入腔室內(nèi)時(shí)的速度分布比優(yōu)化1型和2型的速度分布更加平滑,流速的平滑不僅可以減小溶液對(duì)泵膜的沖擊力,降低泵膜在上下振動(dòng)時(shí)的能量損失,還能減小因流體運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則而引起的噪聲,使溶液混合得更加均勻,提高后期敏感膜檢測(cè)殘留物時(shí)的準(zhǔn)確性。

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性分析

為了證明仿真方法的準(zhǔn)確性及可行性,本文選取與仿真模型結(jié)構(gòu)相似的微泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(圖7)。目前市場(chǎng)上流行的壓電振子尺寸有φ20、φ35、φ42、φ55等,考慮到壓電泵的整體結(jié)構(gòu)尺寸,本文選用尺寸較小的商用微量泵PSS20(單腔微泵,常州電子有限公司)作為本文參數(shù)仿真和流量輸出驗(yàn)證對(duì)象,該微泵是壓電振子直徑為20mm的單腔輸出微泵,主要用于研究壓電泵零壓力輸出流量同仿真驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓及頻率的一致性,以及壓電泵精密流量輸送能力。

圖7 PSS20壓電泵測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)中,驅(qū)動(dòng)的電壓信號(hào)由SFG-2010信號(hào)發(fā)生器提供,泵輸送的介質(zhì)為去離子水,對(duì)PSS20型號(hào)的壓電泵的流量進(jìn)行了測(cè)量,為了減小壓電泵的振動(dòng)噪聲,選擇正弦波形為壓電泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào),分別以電壓和頻率進(jìn)行振子驅(qū)動(dòng)并記錄數(shù)據(jù):①用110V的交流電壓驅(qū)動(dòng)壓電振子,以10Hz為一測(cè)量間距,測(cè)量壓電泵在0～100Hz頻率段內(nèi)的輸出流量值,記錄數(shù)據(jù)并和仿真數(shù)據(jù)擬合;②用50Hz的交流電壓驅(qū)動(dòng)壓電振子,測(cè)量壓電泵在不同電壓下的輸出流量值,以10V為一測(cè)量間距,測(cè)量壓電泵在0～120V電壓下的輸出流量值,記錄數(shù)據(jù)并和仿真數(shù)據(jù)擬合。

圖8 PSS20有限元法及實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果擬合的曲線圖

PSS20的出廠參數(shù)為AC110V,50Hz下,液體的最大流量為20mL/min,誤差率為±15%。圖8為PSS20、有限元法及實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果擬合的曲線圖。圖8(a)輸出流量-頻率曲線是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)峰峰值110V電壓下測(cè)得的,從實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線可以看到:壓電泵的輸出流量隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而增加,在頻率30Hz～80Hz區(qū)間內(nèi)線性度較好;圖8(b)輸出流量-電壓曲線是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為50Hz下測(cè)得,從實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線可以看到:壓電泵的輸出流量隨電壓的增大而增大,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于20V時(shí),壓電泵的輸出壓力隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加基本呈較好線性關(guān)系。分析原因主要是壓電振子的變形量隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加呈線性增加,形成的泵腔容積變化也是線性增加的,但是當(dāng)電壓低于20V的時(shí)候,壓電振子振動(dòng)形成的腔內(nèi)壓力接近于整個(gè)流道的阻力(包括單向截止閥),因此閥的開(kāi)度較小,輸出流量比較少。在電壓為110V時(shí),有限元法得到的流量為18.66mL/min,誤差率為6.7%,所以驅(qū)動(dòng)電壓在20V～110V范圍內(nèi),頻率30Hz～80Hz區(qū)間內(nèi),輸出線性度及擬合程度較好。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)輸出較符合,說(shuō)明有限元設(shè)計(jì)法具有準(zhǔn)確性及有效性。

但相對(duì)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多參數(shù)微量長(zhǎng)時(shí)進(jìn)樣的實(shí)驗(yàn)要求,PSS20商用微泵與系統(tǒng)的結(jié)合性和可移植性較差,主要體現(xiàn)為下限流量大,精度較低,且微泵的總體線性度也不是很理想,考慮到實(shí)際操作時(shí)流體的粘度,介質(zhì)中存在顆粒,氣泡等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一些誤差,因此設(shè)計(jì)一個(gè)流量在微升級(jí),高精度,線性度好,誤差小的雙腔實(shí)驗(yàn)微泵非常必要。為了實(shí)現(xiàn)微泵的精密輸出,在泵腔設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①將泵腔底部空間四周盡可能加工成與壓電振子變形曲線相似的形狀來(lái)防止容積效率降低和噪聲產(chǎn)生;②在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)該選擇在微泵輸出流量與電壓,頻率線形度較好的區(qū)域進(jìn)行流量的控制;③對(duì)于不同泵液應(yīng)采取不同措施,如對(duì)于大粘度液體可采用通過(guò)減小閥尺寸,增加閥剛度的方案,在對(duì)于含顆粒的流體時(shí),由于泵的自吸性能較差,在使用壓電泵的過(guò)程中要注意入口液面與泵工作平面間的高度差不能過(guò)大等。

3 總結(jié)

在電生理測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),對(duì)單一參數(shù)的監(jiān)測(cè)往往只能從某一方面反映出微生物的生長(zhǎng)情況,而測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性(各種噪聲源、長(zhǎng)期測(cè)試后培養(yǎng)液對(duì)電極的腐蝕等)會(huì)干擾測(cè)試的結(jié)果,為了準(zhǔn)確檢測(cè)微生物在刺激物作用下所引起的貼附性及代謝刺激物殘余量的實(shí)時(shí)變化,本文提出了一種基于抗生素作用下微生物的膜阻抗及其代謝液殘留量分析的電化學(xué)并行檢測(cè)平臺(tái),針對(duì)一體化平臺(tái)的核心單元——壓電微泵采用有限元方法進(jìn)行了靜力場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)和流體場(chǎng)的綜合分析,來(lái)確保微泵流量的可控性和精確性。通過(guò)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)微泵的泵膜的分析計(jì)算,對(duì)壓電復(fù)合膜片的有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析,得出壓電復(fù)合膜片的尺寸變化以及驅(qū)動(dòng)電壓的變化對(duì)泵膜響應(yīng)的影響關(guān)系,然后對(duì)被動(dòng)閥做了優(yōu)化分析及流體場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真,最后對(duì)仿真采用普通商用泵進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),分析并證明了仿真的可行性和準(zhǔn)確性,為后期雙腔微量實(shí)驗(yàn)微泵的制作和多參數(shù)平臺(tái)的搭建提供了良好的參考依據(jù)。

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Design of Micropump for Parallel Multi-Parameter Detection of Microbial Metabolic Components Based on Electrochemical Platform*

XUYing,HUZhengtian,GUOMiao*

(Hangzhou Dianzi University Biomedical Engineering Institute,Hangzhou 310018,China)

There are some crucial problems in design of parallel multi-parameter detection platform.This paper puts forward a parallel detection platform by electrochemistry method to analyze the antibiotic residue components in microbial metabolites,which quantitatively showed the influence of antibiotics on physiological environment,membrane adherence and metabolites of microorganism in real time.According to the required accuracy of antibiotic detection limit,the fluid volume for single detection should be controlled within 20 μL/min～100 μL/min.Therefore,this paper comprehensively analyzed the static field,dynamic field and fluid field of the micro pump by the finite element method to make sure that the precision and controllability of pump design meet the measurement requirements,which was the key point in the detection platform.Results showed that the micro-pump flow rate was 52.864 μL/min when the pump was driven by 20 Hz,±40 V AC voltage,and the relations between frequency and voltage to control the real-time change of flow rate were also discussed.Moreover,the passive valve micro pump was further analyzed on mechanical characteristics and the optimized pump fix end size(0.4 mm×0.5 mm).Finally,verified experiment of the obtained simulation data for flow rate compared with PSS20 commercial micro-pump was done with the error rate of 6.7%,which proved the feasibility and accuracy of the finite element method,and provided a good reference for the design and improvement of micro-pump as well as the parallel multi-parameter detection platform.

bioelectrical impedance measurement platform;electrochemical detection platform;antibiotics residue analysis;finite element design of micro-pump

徐 瑩(1978-),女,博士,2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)。主要研究方向包括多種傳感器微芯片仿真、設(shè)計(jì)及總體硬件平臺(tái)搭建、后期信號(hào)分析工作,xuyingxy@hdu.edu.cn;

郭 淼(1979-),女,博士,2006年畢業(yè)于浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院,主要研究方向?yàn)樯锊牧霞半娀瘜W(xué)傳感技術(shù),如基于電化學(xué)方法的血透用水細(xì)菌總數(shù)快速檢測(cè)等,guomiao@hdu.edu.cn。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30800248);浙江省科技廳公益計(jì)劃項(xiàng)目(2011C23031);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13C100003)

2014-07-02 修改日期:2014-11-18

C:7230J

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.001

TP212.3

A

1004-1699(2015)01-0001-08