近几十年来，纳米技术领域在微流控系统的集成方面取得了显著进展，使得微型分析平台的发展成为可能，这些平台可用于生物和化学应用[1]。这一发展催生了微总分析系统（μTAS）[2]，它们在基因组和蛋白质组分析中得到了广泛应用[3]。这些系统通过减少试剂消耗和样本体积，在临床诊断中提供了显著优势[4]。在微观尺度上，表面效应变得至关重要，它们增强了热传递[5]、分析物传输效率以及分子捕获能力[6]，这对于生物传感应用尤为重要，尤其是在免疫测定开发中[7]。
免疫测定依赖于目标分析物与表面固定配体之间的特异性结合相互作用，结合复合物的局部浓度对检测灵敏度和动力学具有关键影响[8]。已经采用了多种检测技术来量化这些分析物-配体相互作用，包括电化学传感器[9]、基于荧光的方法以及表面等离子体共振（SPR）技术[10]。
最近，对于高风险患者（尤其是心血管疾病患者）炎症标志物的实时监测需求推动了快速灵敏生物传感器技术的研究。其中，C反应蛋白（CRP）被广泛认为是炎症的指标，当其浓度显著超过正常阈值1 μg/mL时具有临床意义[11]。已经提出了多种策略来增强微流控系统中的质量传输，并促进目标抗原向传感表面的有效输送[12]。例如，Hofmann等人[8]引入了一种使用平面波导的3D流动策略，结合轴向和正交流动将样本聚焦在反应区附近。类似地，Munir等人[13]利用磁场引导分析物朝向传感区域。其他方法则利用电场来改善分析物的输送。Sigurdson等人[14]和Kaziz等人[15],[16]证明交流电（AC）电泳可以显著提高免疫测定中的结合速率，通过增强反应表面的流体混合效果。Hart等人[17]在异质性测定中扩展了这种方法，并使用荧光读数进行检测，而Huang等人[18]利用有限元模拟分析了非均匀交流电场下免疫球蛋白G（IgG）与CRP之间的结合，发现扩散层厚度减小且结合动力学加快。Hu等人[19]还开发了一种基于聚二甲基硅氧烷的微流控芯片，利用电泳控制进行灵敏的异质性免疫测定。
尽管取得了这些进展，但开发高度集成的微流控系统（结合阀门、泵、混合器、分离器和反应室等多种功能）对于实现实时检测、提高灵敏度和精确的流体控制仍然至关重要。虽然电泳和压力驱动的流动被广泛使用[20],[21]，但离心微流控作为一种优雅的流体操控替代方案也日益受到关注[22],[23],[24]。这些系统通常构建在CD形状的平台上，依靠旋转运动将流体径向向外推动，具有简单性、低成本、试剂使用量少以及与即时诊断兼容等优点[25]。应用范围从蛋白质测定[26]到细胞裂解和样本制备[27]。
然而，大多数关于离心微流控平台的研究主要集中在径向排列的微通道和传统几何形状上，很大程度上忽略了优化角度对齐和反应表面定位的作用。特别是，角度方向对科里奥利诱导的横向流动、质量传输增强以及免疫测定响应时间的影响尚未得到系统研究。这代表了当前文献中的一个关键空白，因为角度对齐可以显著调节次级流动并提高抗原-配体相互作用的效率。本研究通过系统分析和优化角度和几何参数，明确解决了这一空白，以提高CD芯片实验室平台上的生物传感器性能。
此外，最近在Lab-on-a-Chip（LoC）和Lab-on-a-Disc（LoD）技术领域的进展表明，整合流体动力学建模、多物理相互作用和界面现象对于提高微流控系统的预测能力至关重要。研究强调了在微型平台上进行流体传输、离心驱动和质量传输优化的先进建模方法[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37]。此外，带电传输机制（包括离子选择性、整流、表面电荷效应和静电相互作用）已被证明可以显著影响受限微尺度环境中的分析物迁移和检测效率。这些电静力和界面力量在建立传输不对称性、塑造局部浓度剖面以及调节生物传感器准确性方面起着核心作用，这一点在多项近期研究中得到了证实[38],[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45]。因此，结合这些发展对于构建能够捕捉现代微流控诊断背后复杂物理化学现象的综合性框架至关重要。
为了进一步提高离心平台上的免疫测定性能，优化影响流体动力学和分析物传输的操作和几何参数至关重要。实验设计（DoE）[21],[24]，特别是Box-Behnken设计（BBD），提供了一个有效的统计框架，可以同时探索多个变量[46]。为了建模和预测生物传感器响应时间，研究人员采用了多种技术，如多元线性回归（MLR）[47]和人工神经网络（ANNs）[48],[49],[50],[51]。最近，结合人工神经网络与元启发式或概率优化技术的混合人工智能模型在捕捉复杂工程系统中的非线性相互作用方面表现出了更好的性能。特别是，基于ANN的框架与优化策略相结合，在具有挑战性的多变量问题中证明了其有效性[51],[52],[53],[54],[55]，这促使了本研究中采用TLBO-ANN。
本研究的主要创新和贡献可以总结如下：
i.系统研究了角度对齐、反应表面位置、径向位移和旋转速度对离心微通道中蛋白质结合动力学的影响；
ii.明确利用科里奥利诱导的横向流动来增强质量传输并减少免疫测定响应时间；
iii.结合基于FEM的多物理建模、Box-Behnken实验设计和ANOVA进行参数筛选和优化；以及
iv.开发了一个能够准确估计生物传感器响应时间并指导CD芯片实验室设计的TLBO-ANN预测框架。
在这项研究中，我们采用了有限元方法（FEM）来研究关键参数（即反应表面位置（XS）、角度对齐（θ）、径向位移（RD）和角速度（ω）对旋转微通道内蛋白质结合动力学的影响。我们设计了一个利用离心力和科里奥利力控制流体行为的CD芯片实验室平台。离心力产生径向抛物线形流动剖面，而科里奥利力产生切向横向流动，在通道中心线处达到峰值。这些耦合效应增强了横向质量传输和抗原-配体相互作用。为了确定最小化响应时间（TR）的最佳参数组合，我们应用了Box-Behnken设计方法并进行了方差分析（ANOVA）来评估每个参数的统计显著性。此外，我们开发了一个TLBO-ANN模型来高精度预测生物传感器响应时间。这项工作为离心平台上流体动力学与免疫测定性能之间的协同作用提供了新的见解，并为未来的实验验证和实时诊断应用奠定了基础。
