CN110516366B - 一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，该方法包括：S1、不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；S2、随机微珠球心坐标计算；S3、随机微珠模型建立；S4、除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立。本发明使用Unigraphics NX12.0三维建模软件和EDEM颗粒模拟软件相结合的方法，建立了微珠随机分布的UPLC微混合器模型，使模型更加接近实际的UPLC微混合器模型，提高了数值模拟的准确性，更有利于对UPLC微混合器混合机理的探究。本方法不仅可以应用在UPLC微混合器模型的建立方面上，对于任何微珠(颗粒)随机分布的模型都可应用本方法进行数值模拟模型的建立，应用范围十分广泛。

Description

一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法
技术领域
本发明涉及一种超高效液相色谱分析仪中的微混合器建模方法。本发明属于高端生化分析与微全分析系统中流体微混合领域。
背景技术
超高效液相色谱分析法(UPLC)是解决药物分析、生化分析、血液检测和环境检测等问题的重要手段，对于提高药物治疗能力、增强疾病分析能力具有重要推动作用，所以超高效液相色谱仪被迅速应用于食品安全、环境、制药、科研等领域中。尽管超高效液相色谱仪发展迅速，但其中的高精度试剂输送系统由于缺乏匹配供应方和完整的供应链方案，其流量精度、准确度、压力脉动和系统延迟体积难以达到要求，制约了UPLC的发展。高精度试剂输送系统主要功能是实现不同试剂混合并驱动其在色谱柱内流动，微混合器是其主要部件。
微混合器是基于微流控技术，利用微量体积流体进行混合的重要前处理装置，其作用是使两种流体或多种流体进行充分接触和有效混合。使用微混合器不仅可以极大地减少珍贵试剂的消耗量，还能够大大地加快分析检测效率，具有较高的准确度和安全性，为高端生化检测分析技术的普及创造了极好的条件。所以UPLC中所使用的微混合器是影响其检测准确度的关键部件，均匀、稳定且灵敏度高的微混合器是高精度色谱分析结果的基础。
目前UPLC中所用的微混合器主要由出入口、圆柱形的混合腔和多孔介质过滤层三部分组成。为增加其混合性能，通常在圆柱形混合腔中填充随机分布的氧化锆珠。氧化锆珠是以微米级及亚纳米级氧化锆与氧化钇为原料制成的，是用来对要求“零污染”及高粘度、高硬度物料的超细研磨及分散的一种研磨珠。混合试剂通过氧化锆珠之间的间隙时减小了其扩散路径，使分子间渗透更快，并且射流效应增强，打破了层流状态促进混合，从而提升了混合性能。
UPLC微混合器加工材料通常为耐高压的金属材料，通过实验研究方法对UPLC微混合器内部混合试剂的混合及流动特性的研究十分困难。目前主要通过数值模拟方法对UPLC微混合器内部混合试剂的混合及流动特性进行研究，探究流体在微混合器中的混合机理，为微混合器的设计加工和尺寸结构优化提供理论指导。
目前数值模拟方法的难点在于无法建立UPLC混合腔内部微珠随机分布的模型，真实模型中混合腔内部的微珠为随机分布的形态，三维建模软件无法完成随机模型的建立，因此会造成数值模拟结果的不准确，与真实模型存在一定偏差。
针对以上UPLC微混合器数值模拟中建模过程的不足，本发明主要创新了一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，建立了与真实模型更加接近的三维流域模型，提高了数值模拟方法的准确性，对混合机理的探究更加准确。
发明内容
本发明主要针对目前UPLC中微混合器随机微珠模型建立困难，与真实模型差距较大的不足，提供了一种多软件结合的UPLC微混合器流域模型的建模方法，可以真实还原混合腔中微珠的随机分布结构，与真实模型差距大大缩小，提高了数值模拟结果的准确性。
本发明采用的技术方案为一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，该方法包括：S1、不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；S2、随机微珠球心坐标计算；S3、随机微珠模型建立；S4、除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立。
S1：不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；
使用Unigraphics NX12.0三维建模软件建立不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型。UPLC微混合器流域模型一端为圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)，具体尺寸为直径0.76mm，长度2mm，圆柱形入口通道I(21)和圆柱形入口通道II(2)的入口末端中心距微混合器的轴心1.64mm。与圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)相连的是两个串联并列布置的圆柱形多孔介质层(23)；圆柱形多孔介质层(3)尺寸为：直径6mm、高1.1mm。与圆柱形多孔介质层(3)相连的是圆柱形混合腔(4)；圆柱形混合腔(4)具体尺寸为直径4mm、高5mm。与圆柱形混合腔(4)相连的是圆柱形出口通道(5)，圆柱形出口通道(5)具体尺寸为直径0.5mm长度为2mm。
S2：随机微珠球心坐标计算；
使用EDEM颗粒模拟软件模拟直径为280μm的微珠颗粒在直径4mm，高5mm的圆柱内的坠落过程，微珠颗粒从圆柱上平面向下坠落，属性为无弹性，当微珠颗粒之间相距2μm时为接触，当微珠充满整个圆柱时停止，完成计算。计算完成后提取每个微珠在圆柱空间中的球心坐标。
S3：随机微珠模型建立；
使用Unigraphics NX12.0三维建模软件进行微珠模型建立，将S2中得出的球心坐标以txt格式批量导入Unigraphics NX12.0软件中，使用设计特征中的球命令，根据球心坐标批量建立直径为280μm的微珠随机分布模型(6)。
S4：除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；
在Unigraphics NX12.0三维建模软件中，从S1中建立的不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型中使用减去命令去除S3中建立的随机微珠模型，得到最终的除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型。
在建立完的微珠随机分布的UPLC微混合器模型中，两种不同流体分别从微混合器入口通道I(1)和微混合器入口通道II(2)流入，通过两个多孔介质层(3)对流体起到过滤作用后流入混合腔(4)中，氧化锆微珠在混合腔中随机排布，流体流过微珠之间的缝隙时会产生射流效应，缩短两流体的扩散长度，使流体产生扰动，打破流体分层流动的状态，实现流体的混合。充分混合后的流体从出口通道(5)流出微混合器，完成流体的混合。
本发明采用上述技术方案后具有下列优点：
1.使用Unigraphics NX12.0三维建模软件和EDEM颗粒模拟软件相结合的方法，建立了微珠随机分布的UPLC微混合器模型，使模型更加接近实际的UPLC微混合器模型，提高了数值模拟的准确性，更有利于对UPLC微混合器混合机理的探究。
2.本方法不仅可以应用在UPLC微混合器模型的建立方面上，对于任何微珠(颗粒)随机分布的模型都可应用本方法进行数值模拟模型的建立，应用范围十分广泛。
附图说明
图1为一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法的流程图。
图2为UPLC微混合器模型示意图。
图3为UPLC微混合器微珠分布模型示意图。
图中：1.微混合器入口通道I，2.微混合器入口通道II，3.多孔介质层，4.混合腔，5.微混合器出口通道6.UPLC微混合器微珠。
具体实施方式
a)使用Unigraphics NX12.0三维建模软件建立不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型。模型最左端为圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)，具体尺寸为直径0.76mm，长度2mm，入口末端中心距微混合器轴心1.64mm。与入口通道相连的是两个圆柱形多孔介质层(3)，具体尺寸为直径6mm，高1.1mm。与多孔介质层相连的是圆柱形混合腔(4)，具体尺寸为直径4mm，高5mm。与混合腔相连的是圆柱形出口通道(5)，具体尺寸为直径0.5mm，长度为2mm。
b)使用EDEM颗粒模拟软件模拟直径为280μm的微珠颗粒在直径4mm，高5mm的圆柱内的坠落过程，微珠从圆柱上平面向下坠落，属性为无弹性，当微珠之间相距2μm时默认为接触，当微珠充满整个圆柱体时停止，完成计算。计算完成后提取每个微珠在圆柱空间中的球心坐标。
c)使用Unigraphics NX12.0三维建模软件进行微珠模型建立，将步骤二中得出的球心坐标以txt格式批量导入Unigraphics NX12.0软件中，使用设计特征中的球命令，根据球心坐标批量建立直径为280μm的微珠随机分布模型(6)。
d)在Unigraphics NX12.0三维建模软件中，从步骤一中建立的不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型中使用减去命令去除步骤三中建立的随机微珠模型，得到最终的除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型。

Claims (4)

1.一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，其特征在于：该方法包括：S1、不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；S2、随机微珠球心坐标计算；S3、随机微珠模型建立；S4、除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；S2的具体实施如下，随机微珠球心坐标计算；
使用EDEM颗粒模拟软件模拟直径为280μm的微珠颗粒在直径4mm，高5mm的圆柱内的坠落过程，微珠颗粒从圆柱上平面向下坠落，属性为无弹性，当微珠颗粒之间相距2μm时为接触，当微珠充满整个圆柱时停止，完成计算；计算完成后提取每个微珠在圆柱空间中的球心坐标；
使用UnigraphicsNX12.0三维建模软件进行微珠模型建立，将S2中得出的球心坐标以txt格式批量导入UnigraphicsNX12.0软件中，使用设计特征中的球命令，根据球心坐标批量建立直径为280μm的微珠随机分布模型(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，其特征在于：S1的具体实施如下，不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；
使用UnigraphicsNX12.0三维建模软件建立不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型；UPLC微混合器流域模型一端为圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)，具体尺寸为直径0.76mm，长度2mm，圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)的入口末端中心距微混合器的轴心1.64mm；与圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)相连的是两个串联并列布置的圆柱形多孔介质层(3)；圆柱形多孔介质层(3)尺寸为：直径6mm、高1.1mm；与圆柱形多孔介质层(3)相连的是圆柱形混合腔(4)；圆柱形混合腔(4)具体尺寸为直径4mm、高5mm；与圆柱形混合腔(4)相连的是圆柱形出口通道(5)，圆柱形出口通道(5)具体尺寸为直径0.5mm长度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，其特征在于：S4的具体实施如下，除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型建立；
在UnigraphicsNX12.0三维建模软件中，从S1中建立的不考虑微珠结构的UPLC微混合器流域模型中使用减去命令去除S3中建立的随机微珠模型，得到最终的除去微珠结构的UPLC微混合器流域模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于超高效液相色谱分析中随机微珠微混合器的建模方法，其特征在于：在建立完的微珠随机分布的UPLC微混合器模型中，两种不同流体分别从圆柱形入口通道I(1)和圆柱形入口通道II(2)流入，通过两个多孔介质层(3)对流体起到过滤作用后流入混合腔(4)中，氧化锆微珠在混合腔中随机排布，流体流过微珠之间的缝隙时会产生射流效应，缩短两流体的扩散长度，使流体产生扰动，打破流体分层流动的状态，实现流体的混合；充分混合后的流体从出口通道(5)流出微混合器，完成流体的溶液混合。
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