CN109063390A - 一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，涉及微流控稀释网络设计领域，包括如下步骤：(1)初步设想构型；(2)构型绘制；(3)输入输入电流值和每个电阻的缺省值；(4)瞬态分析；(5)电路性能分析；(6)检查；(7)电路优化分析；(8)减少需要优化计算可变元器件个数；(9)输出电路结果图；(10)计算混合通道长度和流量的绝对值；(11)得出微流控网络设计图纸；(12)考察设计精度。本发明解决目前微流控稀释网络设计方法中过渡依赖于设计者的经验或计算机硬件性能，实验设计耗时和成本高，不适于规模化设计，设计精度低，优化参数多，设计难度大等诸多问题。

Description

一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法
技术领域
本发明涉及微流控稀释网络设计领域，尤其涉及一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法。
背景技术
微流控技术是指在几十到几百微米的微尺度通道里对流量流体进行控制及应用的技术，其最初的应用是应用在生化分析等方面。由于微尺度的关系使得微流控技术具有很多的特征优势，比如小尺寸、小流量、低损耗、快响应等，这些特性使得微流体的应用在近些年的应用日趋广泛，短短几十年里微流控技术已经在很多领域尤其是生化分析方面占据了绝对重要的地位。
微流控芯片是通过各种管道网络连接各个功能部件从而实现整体功能的，是整个管道网络的功能基础。同时，这些管道也起着运输工作物质的作用，并按照所需求的流量和流向将工作液体送至相应的功能器件中。此外，管道网络有时也能作为功能部件来工作，例如，微混合器可以通过长的弯曲管道来实现，固定流量的引流管可以用来控制流体中颗粒的运动等。稀释网络承担着对整个微流控芯片中流体的流量和流向的控制功能，是上述微流控芯片设计的基础，其设计质量和精度将直接影响到整个芯片功能的实现。并且随着梯度生成器网络复杂性的提高，其设计难度也倍增。
目前，微流控稀释网络的设计方法主要基于实验改进方法，由于流体特性的复杂，这种依赖经验和实验修正设计的方法不适合微流控技术大规模集成化的发展，倘若想要设计一款高集成度的功能复杂的微流控稀释网络芯片仅仅靠实验的方法比较难实现，且实验代价比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，以解决上述技术问题。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
优选的，所述步骤(1)中的稀释网络的大概构型，由两个或多个入口和梯度室之间，多次分叉，多次汇合的通道网络，流体在网络中经过多次混合，并通过控制相互混合的稀释比率，形成不同形状的梯度。
优选的，所述梯度形状为等比、等差、对数、指数、正弦、多组合二元混合、多组合三元混合、多元混合、二元混合后次第梯度、多元混合后次第梯度中的一种。
优选的，所述步骤(2)中类比的电路网络是以独立稳定的电流源表示外界泵的流体入口，以接地表示外接大气的流体出口，以电流表示流体的体积流量，以电阻表示流体通道，以导线将电流源、电阻和接地联结，构成整个电路网络。
优选的，所述步骤(3)中总输入电流值设为1A，所述电阻的缺省值设为10Ω～100Ω。
优选的，所述步骤(6)中符合要求的输出波形为直线；符合要求的所有约束条件值为电流值≥0A。
优选的，所述步骤(7)中所述所有设计约束条件的目标值是采用目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为1A联合求解得出。
优选的，所述步骤(8)中减少需要优化计算可变元器件个数的方法为运行敏感性分析工具，相对敏感度大的电阻为关键变量，保留为可变元器件，非关键电阻输入固定值5Ω～100Ω。
优选的，所述步骤(8)中减少需要优化计算可变元器件个数的方法为电路拆分，按等效电路原理，将原始网络拆分成两个次级网络，直接减少可变元器件个数，从步骤(1)开始分别进行网络设计，然后组合在一起，运行网络。
本发明的有益效果是：
本发明利用流体与电流可以类比的特性，以计算机辅助的电路设计计算来提供流路构建数据，指导微流控通道网络设计的方法，并可近一步依据电路原理将流路拆分来降低设计难度，本方法可用于任何压力驱动的微流体网络设计，尤其适用于复杂的微流控稀释网络梯度生成器的设计计算，设计优化参数少，设计操作简便，设计精度高，大大提高设计进程，降低了设计误差，适于规模化设计，设计过程中减少需要优化计算可变元器件个数的两个方法可以独立使用，也可以同时使用。本发明解决目前微流控稀释网络设计方法中过渡依赖于设计者的经验或计算机硬件性能，实验设计耗时和成本高，不适于规模化设计，设计精度低，优化参数多，设计难度大等诸多问题。
附图说明
图1为本发明的次第稀释网络初略图；
图2为本发明的2-fold log次第稀释网络等效电路图；
图3为本发明的2-fold log次第稀释网络5梯度生成器设计图；
图4为本发明的等差次第稀释网络8梯度生成器网络等效电路图；
图5为本发明的等差次第稀释网络8梯度生成器网络设计图；
图6为本发明的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成器初略图；
图7为本发明的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成器等效电路图；
图8为本发明的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成器设计图；
图9为本发明的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合次第等差5梯度生成器网络等效电路图；
图10为本发明的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合次第等差5梯度生成器设计图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
如图1-3所示一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
应用本设计方法设计2-fold log次第稀释网络5梯度生成器，生成浓度梯度为2^0,2^-1,2^-2,…,2^-n+1，根据以上需求设想其大概构型应为带有两个入口(一个入口输入样品，另一个输入空白溶液)的N阶级联混合网络，基本上是经过一系列稀释，以空白溶液逐渐稀释原始样品，形成稀释样品，然后在与空白液进一步稀释，相当于每一步骤的稀释样品来自前一次的稀释样品。在电路设计软件中原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；经物流衡算，样品端总输入电流为1.875A，空白液端总输入电流为3.125A。选择瞬态分析方法，运行仿真，输出波形为直线；将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；检查输出波形为直线，所有电流值不为负，没有出现逆流现象；根据目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为1A联合求解得出所有设计约束条件目标值：QI,5＝Qo,5＝1A，QI,4＝875mA，QI,3＝750mA，QI,2＝500mA，QI,1＝Qo，1＝1A，Qo,2＝Qo,3＝Qo,4＝1A。电路优化分析，输入所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，迭代收敛速度很慢，计算结果误差较大。运行敏感性分析工具，所有输入端电阻RI,n和输出端电阻Ro,n为关键变量，保留为可变元器件，与上一级稀释相连的连接电阻Rc以及流体混合电阻Rm为非关键电阻，均输入固定值10。运行电路优化分析，得出所有可变元器件参数值。输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度Rm(max)和流量的绝对值分别为10mm和1.5μl min-1(通道高和宽为100μm×100μm)。其相对应电路结果图上电流Q和电阻值R分别为10和1.75A，以此按比例推导流体网络其他通道长度L和设计流量q：LI,5＝Lo,5＝82.2mm，LI,4＝20mm，LI,3＝56.7mm，LI,2＝125mm，LI,1＝Lo,1＝90.9mm，Lo,2＝18.4mm,Lo,3＝33.4mm,Lo,4＝55.9mm，样品端总输入流量qCS为1.6μl min-1，空白液端总输入流量qCO为2.7μl min-1。按上述设计参数给出2-fold log次第稀释网络5梯度生成器设计图。按图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料和空白液，设颜料浓度为C，则芯片出口梯度浓度理论值为C，0.5C，0.25C,0.125C，0.0625C，0。以理论曲线对芯片出口的浓度测量值进行拟合，拟合优度R2＝0.9874，拟合良好，说明设计精度良好。
实施例2
如图1、图4-5所示一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
应用本设计方法设计等差次第稀释网络8梯度生成器，生成浓度梯度为n-1/(n-1),(n-2)/(n-1),…,2/(n-1),1/(n-1)。根据以上需求设想其大概构型应为带有两个入口(一个入口输入样品，另一个输入空白溶液)的N阶级联混合网络，基本上是经过一系列稀释，以空白溶液逐渐稀释原始样品，形成稀释样品，然后在与空白液进一步稀释，相当于每一步骤的稀释样品来自前一次的稀释样品。在电路设计软件中原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；经物流衡算，样品端总输入电流为4A，空白液端总输入电流为4A。选择瞬态分析方法，运行仿真，输出波形为直线；将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；检查输出波形为直线，所有电流值不为负，没有出现逆流现象；根据目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为1A联合求解得出所有设计约束条件目标值：QI,8＝Q0,8＝1A，QI,7＝QI,6＝QI,5＝QI,4＝QI,3＝QI,2＝500mA，QI,1＝Qo,1＝1A，Qo,7＝Qo,6＝Qo,5＝Qo,4＝Qo,3＝Qo,2＝1A。电路优化分析，输入所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，迭代收敛速度很慢，计算结果误差较大。运行敏感性分析工具，所有输入端电阻RI,n和输出端电阻Ro,n为关键变量，保留为可变元器件，与上一级稀释相连的连接电阻Rc以及流体混合电阻Rm为非关键电阻，分别均输入固定值5和10。运行电路优化分析，得出所有可变元器件参数值。输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度Rm(max)和流量的绝对值分别为10mm和1.5μl min-1(通道高和宽为100μm×100μm)。其相对应电路结果图上电流Q和电阻值R分别为10和3.5A，以此按比例推导流体网络其他通道长度L和设计流量q：LI,8＝Lo,8＝202.5mm，LI,7＝20mm,LI,6＝115mm，LI,5＝195mm，LI,4＝260mm，LI,3＝310mm,LI,2＝345mm，LI,1＝Lo,1＝197.5mm，Lo,7＝152.5mm，Lo,6＝110mm，Lo,5＝75mm，Lo,4＝47.5mm,Lo,3＝27.5mm，Lo,2＝15mm。样品端总输入流量qCs为1.7μl min-1，空白液端总输入流量qCO为1.7μl min-1。按上述设计参数给出等差次第稀释网络8梯度生成器设计图。按图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料和空白液，设颜料浓度为C，则芯片出口梯度浓度理论值为C，6/7C，5/7C,4/7C，3/7C，2/7C，1/7C,0。以理论曲线对芯片出口的浓度测量值进行拟合，拟合优度R2＝0.9943，拟合良好，说明设计精度良好。
实施例3
如图6-8所示一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
应用本设计方法设计四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成器，生成的等比浓度二元混合为A+B(1：1)，A+C(1：1)，A+D(1：1)。根据以上需求设想其大概构型应为四个样品入口，分别通入A，B,C,D四种样品，A样品分配成三分，分别与B，C，D等比混合。在电路设计软件中原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；经物流衡算，A样品端总输入电流为4.5A，B,C,D样品端总输入电流均为1.5A。选择瞬态分析方法，运行仿真，输出波形为直线；将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；检查输出波形为直线，所有电流值不为负，没有出现逆流现象；根据目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为3A联合求解得出所有设计约束条件目标值：Q1＝Q4＝Q6＝1.5A，Q2＝Q5＝Q7＝3A。电路优化分析，输入所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值。输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度Rm(max)和流量的绝对值分别为10mm和1.5μl min-1(通道高和宽为100μm×100μm)。其相对应电路结果图上电流Q和电阻值R分别为10和2.5A，以此按比例推导流体网络其他通道长度L和设计流量Qc：L1＝75mm,L2＝30mm，L3＝20mm,L4＝35mm,L5＝30mm，L6＝35mm,L7＝30mm。样品端总输入流量Qc,A为2.7μl min-1，Qc,B,Qc,C,Qc,D为0.9μl min-1。按上述设计参数给出的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成器的设计图。按图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，分析出口流量与理论流量相对误差小于3％，说明设计精度良好。
实施例4
如图1-2和图9-10所示一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
应用本设计方法设计四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合次第等差5梯度生成器，生成的等比浓度二元混合A+B(1：1)，A+C(1：1)，A+D(1：1)之后，并形成混合样品的浓度梯度n-1/(n-1),(n-2)/(n-1),…,2/(n-1),1/(n-1)。根据以上需求设想其大概构型应为四个样品入口，分别通入A，B,C,D四种样品，A样品分配成三分，分别与B，C，D等比混合，混和之后的样品，再以空白溶液逐渐稀释，形成稀释样品，然后在与空白液进一步稀释，相当于每一步骤的稀释样品来自前一次的稀释样品。其基本构型相当于图1与图2的叠加。进行网络拆分，按等效电路原理，具体为戴维南定理和替代原理，将上述网络拆分成两个次级网络，分别为等比稀释二元混合浓度生成网络和等差次第稀释5梯度网络。按基本构型图1，在电路设计软件中原理图设计编辑器中将初略的等差次第稀释5梯度网络以类比的电路网络的方式绘制出来；经物流衡算，样品端总输入电流为3A，空白液端总输入电流为3A。选择瞬态分析方法，运行仿真，输出波形为直线；将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；检查输出波形为直线，所有电流值不为负，没有出现逆流现象；根据目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为1A联合求解得出所有设计约束条件目标值：QI,6＝Qo,6＝1A，QI,5＝QI,4＝QI,3＝QI,2＝500mA，QI,1＝Qo,1＝1A，Qo,5＝Qo,4＝Qo,3＝Qo,2＝1A。电路优化分析，输入所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，迭代收敛速度很慢，计算结果误差较大。运行敏感性分析工具，所有输入端电阻R I,n和输出端电阻Ro,n为关键变量，保留为可变元器件，与上一级稀释相连的连接电阻Rc以及流体混合电阻Rm为非关键电阻，分别均输入固定值5和10。运行电路优化分析，得出所有可变元器件参数值。输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值。按构型图2，在电路设计软件中原理图设计编辑器中将初略的四样品(A，B，C，D)等比稀释二元混合浓度生成网络以类比的电路网络的方式绘制出来；将3个设计好的等差次第稀释5梯度网络连接在混合网络的三个出口处。经物流衡算，A样品端总输入电流为4.5A，B,C,D样品端总输入电流均为1.5A。选择瞬态分析方法，运行仿真，输出波形为直线；将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；检查输出波形为直线，所有电流值不为负，没有出现逆流现象；根据目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为3A联合求解得出所有设计约束条件目标值：Q1＝Q4＝Q6＝1.5A，Q2＝Q5＝Q7＝3A。电路优化分析，输入所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值。输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值。以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度Rm(max)和流量的绝对值分别为10mm和1.5μl min-1(通道高和宽为100μm×100μm)。其相对应电路结果图上电流Q和电阻值R分别为10和2.5A，以此按比例推导流体网络其他通道长度L和设计流量Qc：L1＝75mm,L2＝30mm，L3＝20mm,L4＝35mm,L5＝30mm，L6＝35mm,L7＝30mm，LI,6＝Lo,6＝118.97mm，LI,5＝30mm,LI,4＝96mm,LI,3＝144.96mm,LI,2＝179.97mm，LI,1＝Lo,1＝123.97mm，Lo,5＝83.97mm,Lo,4＝56.47mm,Lo,3＝36.47mm,Lo,2＝23.97mm。样品端总输入流量Qc,A为2.7μl min-1，Qc,B,Qc,C,Qc,D为0.9μl min-1。空白液输入端流量为0.9μlmin-1。按图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料和空白液，则芯片出口梯度浓度理论值为：C(A+B)，4/5C(A+B)，3/5C(A+B),2/5C(A+B)，1/5C(A+B)，0；C(A+C)，4/5C(A+C)，3/5C(A+C),2/5C(A+C)，1/5C(A+C)，0；C(A+D)，4/5C(A+D)，3/5C(A+D)，2/5C(A+D)，1/5C(A+D)，0；以理论曲线对芯片出口的浓度测量值进行拟合，拟合优度分别为R2＝0.9911，R2＝0.9903，R2＝0.9931拟合良好，说明设计精度良好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)根据某种生化原理需要或者根据某种结构对流体的特殊效应初步设想微流控稀释网络的大概构型；
(2)在电路设计软件原理图设计编辑器中将初略的流体网络构型以类比的电路网络的方式绘制出来；
(3)在电路设计编辑器中输入电源的总输入电流值和每个电阻的缺省值；
(4)选择分析方法为瞬态分析，运行仿真，输出波形为直线；
(5)电路性能分析，将所有输入端通道电流和输出端电流设置为设计约束条件，所有电阻设置为可变的元器件参数，运行电路模拟计算；
(6)检查模拟后的输出波形和所有约束条件值是否符合要求；
(7)电路优化分析，给定所有设计约束条件的目标值，运行优化计算，得出所有可变元器件参数值；
(8)电路优化分析出现错误，减少需要优化计算可变元器件个数或设置更为合理的原始缺省值，重复步骤(5)到(7)直至完成电路优化分析；
(9)输出电路结果图，图上标明所有电流值和电阻值；
(10)以最高流量处混合通道长度限制原则来计算混合通道长度和流量的绝对值；
(11)按照最高流量处混合通道长度和流量的绝对值以及电路结果图上电流和电阻值，按比例推导流体网络其他通道长度和设计流量，给出微流控网络设计图纸；
(12)按照设计图纸制作微流控芯片，按照设计流量通入颜料，在芯片出口进行流量分析或浓度分析，与理论值比较，考察设计精度。
2.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中的稀释网络的大概构型，由两个或多个入口和梯度室之间，多次分叉，多次汇合的通道网络，流体在网络中经过多次混合，并通过控制相互混合的稀释比率，形成不同形状的梯度。
3.根据权利要求2所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述梯度形状为等比、等差、对数、指数、正弦、多组合二元混合、多组合三元混合、多元混合、二元混合后次第梯度、多元混合后次第梯度中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中类比的电路网络是以独立稳定的电流源表示外界泵的流体入口，以接地表示外接大气的流体出口，以电流表示流体的体积流量，以电阻表示流体通道，以导线将电流源、电阻和接地联结，构成整个电路网络。
5.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中总输入电流值设为1A，所述电阻的缺省值设为10Ω～100Ω。
6.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中符合要求的输出波形为直线；符合要求的所有约束条件值为电流值≥0A。
7.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(7)中所述所有设计约束条件的目标值是采用目标浓度梯度的稀释比率，结合KCL定律以及所有出口电流设为1A联合求解得出。
8.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(8)中减少需要优化计算可变元器件个数的方法为运行敏感性分析工具，相对敏感度大的电阻为关键变量，保留为可变元器件，非关键电阻输入固定值5Ω～100Ω。
9.根据权利要求1所述的一种微流控稀释网络梯度生成器的计算机辅助设计方法，其特征在于：所述步骤(8)中减少需要优化计算可变元器件个数的方法为电路拆分，按等效电路原理，将原始网络拆分成两个次级网络，直接减少可变元器件个数，从步骤(1)开始分别进行网络设计，然后组合在一起，运行网络。
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