一种新型便携式对流PCR装置的数值模拟研究_张日成.pdf
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1、机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址: 电邮:一种新型便携式对流PCR装置的数值模拟研究张日成,刘宇航,樊文林,叶修斌,康鑫(武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070)0引言聚合酶链反应(PCR)是一种用于体外扩增特异性核酸序列的生物分子技术1-2,由于其具有灵敏度高、特异性好等优点,因而被广泛运用于体外诊断、核酸检测领域。在PCR基因扩增过程中,原始微量的核酸模板在经历众多重复且特定的热循环(90 C高温变性、50 C低温退火、70 C恒温延伸)后,可进行上百万倍的扩增复制,由此达到检测所需的必要数量。传统的PCR检测仪由于需精确控制循环内各
2、阶段的温度,对热循环装置及其电子控制系统复杂性提出了较高要求。此外,由于加热块与反应管之间的导热系数较低,热阻较高,PCR试剂的体积又往往在几十毫升左右,导致通常需要1.52 h才能完成3040个热循环3-4,给高效、省时、简便、低成本的即时检测造成了很大困难。利用自然对流原理设计的对流式PCR检测仪(CPCR)是一种潜在的有效解决方案5。在装置内多热源的作用下,容器不同区域可分别形成PCR化学反应过程中各阶段所需要的温度分布;另外由于浮升力驱动的自然对流效应,反应溶液将在装置内形成循环流动,达到流动循环一次核酸便扩增一倍的效果。本文提出一种新型的便携式CPCR检测仪,仅依靠一个单一热源进行加
3、热、外壁面进行散热而形成稳定的温度梯度。同时由于热对流的固有特性,装置无需任何外部泵来驱动溶液流动,因此既可降低系统复杂性与经济成本,又可有效节能。此外,本工作将使用计算流体力学CFD的方法,模拟分析PCR试剂在反应容器内流动传热的物理过程6,并针对这一结构进行优化设计,以溶剂单次流动循环时间为优化目标,得到最优的装置尺寸。1数值仿真方法1.1几何模型研究的CPCR装置本体为一空心圆柱体结构的径向容器,如图1所示。中心空腔内放置加热器提供反应所需热量,并作为溶剂在腔内流动的驱动力来源。由于反应器内部加热、外部壁面散热,PCR扩增过程的最低与最高温度可分别在内、外边界处附近达到。这一要求也约束了
4、加热器壁面距容器外壁面的距离,在本研究中固定为45 mm。1.2控制方程由于PCR试剂的物性与蒸馏水相近,因此在本研究中以水作为模拟的流动介质,其密度随温度的变化关系采用Boussinesq假设。流体在计算流体区域内发生热对流,通过瑞利数决定其流动状态。瑞利数计算式为Ra=gh3v,式中:g为重力加速度;h为流体层的高度;为热扩散率;为反应器中心和外围的温度差;v为动力黏度;为流体的热膨胀系数。当瑞利数小于108时,流动为层流;在1081010之间,层流转向湍流状态,大于1010为湍摘要:提出了一种新型便携式的对流PCR仪,其主体为一内置加热器的圆柱体反应容器。对PCR试剂在容器内的流动与传热
5、过程进行了CFD数值模拟,结果表明,该结构设计可成功实现溶液在热对流作用下的自发流动循环,从而完成核酸模板的自动扩增。最后以流动单次循环的最短时间为目标,对反应容器尺寸进行了优化设计,优化后的单次循环时间仅为20 s。关键词:对流式PCR;热对流;数值模拟中图分类号:TH 77;TP 391.9文献标志码:A文章编号:10022333(2023)08002803Numerical Simulation of a New Portable Convective PCR DeviceZHANG Richeng,LIU Yuhang,FAN Wenlin,YE Xubin,KANG Xin(Scho
6、ol ofCivil Engineeringand Architecture,Wuhan UniversityofTechnology,Wuhan 430070,China)Abstract:A novel portable convective PCR device is proposed.Its main component is a cylindrical reaction vessel with asingle heater installed in the middle.Flow and heat transfer processes of the PCR solvent are n
7、umerically simulated.Results show that this design could successfully render the fluid self-recirculating within the reactor owing to the heatadvection effect,and thereby achieve the automatic amplification of the nucleic acid templates.Finally,the reaction vesselsize is optimized with the objective
8、 of the shortest time for a single cycle of flow,and the optimized single cycle time isonly 20 s.Keywords:convective PCR;thermal convection;numerical simulation基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(S202110497185)图1CPCR仪结构示意图上壁面加热器外壁面下壁面28机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址: 电邮:2023 年第 8 期流状态。经过计算判断,该研究问题为层流流动。这一不可压缩、定常流动传热问
9、题的控制方程如下所示:连续性方程为V (u)=0;动量方程为(u )u=p+g+2u;能量方程为Cp(u Tf)=(KfTf)。1.3网格划分使用ANSYS ICEM软件对几何模型进行网格划分。计算区域内全部采用四面体非结构化网格,体网格质量Skewness均保持在0.7以上。本工作所有算例的网格数量均在10 00020 000之间,经检查可满足计算结果的网格无关性。1.4方程求解使用基于有限体积法的ANSYS FLUENT软件对偏微分控制方程组进行求解。方程离散采用二阶迎风格式,速度与压力的解耦问题采用PRESTO!算法。封闭的反应容器仅有两个边界:内边界为加热器壁面,其热流密度设置为500
10、0 W/m2;外边界为容器外壁面(上、下及侧壁面),设置对流换热系数为30 W/(m2 K),向外界环境散热。当各方程残差均小于10-4且模拟过程中各监测值(反应器中心温度和外壁面温度)均达到稳定状态时,可认为计算已收敛。在本工作中,这一计算过程大约需2000步迭代。研究中以核酸模板每扩增一倍所需的时间作为CPCR反应器的性能评价标准(时间越短,效果越高)。为达到该性能指标,在计算收敛后的后处理中采用粒子追踪方法,通过注入小直径的无质量惰性颗粒,则可以计算出溶剂在容器内流动循环一次的时间。2仿真结果及优化分析2.1基础尺寸下的流动传热概况首先对基础尺寸(直径为50 mm、高度为50 mm、加热
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