استفاده از شیر میکروسیال برای جداسازی ذرات باردار

وقتی به یک شیر فکر می کنید، اولین چیزی که به ذهن می رسد چیست؟ امواج الکترومغناطیسی یا شاید استوکس مواد شیمیایی باردار را در یک سیستم میکروکانال جدا می کند؟ شاید هیچ کدام. حقیقت این است که وقتی محققان سعی می‌کنند حجم نمونه‌های کوچک (در ناحیه پیکولیتر)، به خوبی تعریف شده از مواد شیمیایی را جدا کنند، دقت توزیع ارائه شده توسط یک تنظیم‌کننده مکانیکی احتمالاً کافی نخواهد بود. از سوی دیگر، یک دریچه الکتروکینتیک، نوعی دریچه میکروسیال، با دادن کنترل جریان مورد نیاز برای اندازه‌گیری‌های دقیق در طی آنالیزهای شیمیایی و بیولوژیکی انتخاب شده، راه‌حل کاملی را ارائه می‌کند.

چگونه یک دریچه الکتروکینتیک کار می کند

دریچه های الکتروکینتیک معمولاً در کاربردهایی یافت می شوند که حمل و نقل کنترل شده یون نمونه باردار مورد نظر است. به عنوان مثال، اغلب در بیوچیپ ها یا هنگام انجام آنالیز الکتروفورتیک یافت می شود. هندسه این میکرو دستگاه معمولاً دو کانال عمود بر هم تشکیل می دهد – کانال فوکوس و کانال تزریق . منطقه تقاطع بین دو کانال منطقه فوکوس نامیده می شود . علاوه بر این، دو مرحله وجود دارد که عملکرد این دستگاه را توصیف می کند: مرحله تمرکز و مرحله تزریق.. ابتدا، در مرحله فوکوس، یک جریان خزنده تحت فشار (جریان استوکس) حاوی یون نمونه در یک طرف کانال فوکوس وارد می شود، در حالی که جریان خزنده فشار محور دیگری از محلول بافر به طور همزمان از هر دو انتهای تزریق وارد می شود. کانال این دو راه حل در ناحیه فوکوس قبل از خروج در سمت خروجی کانال فوکوس، همانطور که در زیر نشان داده شده است، به هم می رسند.

هندسه شیر الکتروسینتیکی
طرح دریچه الکتروکینتیکی در مرحله فوکوس. در مرحله تزریق، ورودی بافر پایینی به خروجی تزریق تبدیل می شود.

هنگامی که سیال نمونه وارد منطقه فوکوس شد، دستگاه به مرحله دوم، مرحله تزریق سوئیچ می کند. این بدان معنی است که جریان تحت فشار خاموش می شود و یک میدان الکتریکی بلافاصله در امتداد هر دو کانال اعمال می شود. این میدان اعمال شده، یون‌های نمونه تفکیک شده را در ناحیه فوکوس در زوایای قائم به کانال فوکوس و از طریق کانال تزریق هدایت می‌کند و از جداسازی تمیز یون‌های نمونه اطمینان حاصل می‌کند.

با این حال، برای دستیابی به یک دریچه الکتروکینتیکی که به درستی کار می کند، کاربر باید جریان خزنده ناشی از فشار و همچنین پتانسیل الکتریکی اعمال شده در طول کانال ها را کالیبره کند. شبیه سازی دیجیتالی چنین سیستمی بخش مهمی از فرآیند کالیبراسیون است، زیرا به محققان اجازه می دهد ولتاژ اعمال شده در مرحله تزریق و سرعت اولیه القا شده در مرحله فوکوس را تعیین کنند.

ویدئو: نحوه مدل سازی شیر میکروفلوئیدی

با استفاده از توانایی COMSOL Multiphysics برای ترسیم راه حل های محاسبه شده قبلی از مراحل مختلف مطالعه، می توانید مدلی ایجاد کنید که از راه حل های مرحله تمرکز به عنوان شرایط اولیه برای مرحله تزریق استفاده می کند. با استفاده از همین ویژگی، می توانید با ایجاد یک مطالعه ثابت برای میدان الکتریکی و استفاده از راه حل های آن برای تجزیه و تحلیل انتقال وابسته به زمان گونه های رقیق شده در مرحله تزریق، در زمان محاسبات صرفه جویی کنید. علاوه بر این، می توانید غلظت گونه ها را در نتیجه جریان الکتریکی اعمال شده در طی مراحل مختلف زمانی رسم کنید. می توانید از نتایج برای کمک به تصمیم گیری در مورد اینکه آیا توزیع غلظت در طول کانال برای هدف شما مناسب است یا خیر استفاده کنید.

ما یک سری ویدیو برای شما ایجاد کرده ایم تا بتوانید نحوه انجام این کار را مشاهده کنید. ویدیوی اول مرحله فوکوس را نشان می دهد، در حالی که ویدیوی دوم مرحله تزریق را توضیح می دهد.

در ویدئوی دوم زیر، دو حالت (حالت A و حالت B) مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند که تنها با قرارگیری میدان الکتریکی اعمال‌شده متفاوت هستند. حالت B به‌عنوان سناریوی مناسب با هدف دریچه نشان داده می‌شود، زیرا توزیع آن در مقایسه با حالت A نرمال‌تر است.

خزنده در پشت صحنه یک شیر میکروسیال

جریان خزنده القایی در شیر میکروسیال زمانی اتفاق می افتد که عدد رینولدز برای یک جریان بسیار کم باشد (Re«1). این بدان معنی است که نیروهای چسبناک سیال بر نیروهای اینرسی انفعالی غالب است. بنابراین، در طول این جریان، از عبارت اینرسی معادلات ناویر-استوکس صرف نظر می کنیم ، به طوری که توسط معادلات استوکس توصیف می شود. این جریان تک فاز نه تنها در جریان‌هایی با ویسکوزیته بالا، بلکه زمانی که مقیاس‌های طول جریان کوچک هستند، اتفاق می‌افتد، بنابراین آن را برای هدف این مدل میکروسیال خاص ایده‌آل می‌کند، حتی اگر حلال آب باشد.

تمرکز مرحله حالت پایدار در یک دریچه الکتروکینتیک
مرحله تمرکز راه حل حالت پایدار با استفاده از جریان خزنده القایی. این محلول همچنین محلول اولیه (t = 0) برای مرحله تزریق وابسته به زمان است.

رابط حمل و نقل گونه های رقیق شده

رابط حمل و نقل گونه های رقیق شده در این مدل برای انتقال گونه ها در محلول بافر، در هر دو مرحله تمرکز و تزریق، حساب می شود. این مدل فرض می‌کند که گونه‌های شیمیایی از طریق مهاجرت و همرفت با ضریب انتشار منتقل می‌شوند.را روی صفر تنظیم کنید. در نتیجه، معادله موازنه جرم تنها از نظر فضایی به میدان سرعت وابسته است، که راه‌حل‌های آن از حل‌کننده جریان خزنده برای ترم موازنه حرکت در مرحله تمرکز به دست می‌آید. در مرحله تزریق، موازنه جرم نیز به میدان الکتریکی وابسته می‌شود و اصطلاحاتی را اضافه می‌کند که به ثابت فارادی، پتانسیل الکتریکی، تعداد بار گونه‌های یونی و تحرک یونی وابسته هستند. تحرک یونی نامشخص پس از آن برای هر نمونه به انتشار گونه از طریق ثابت گاز مولی و دما توسط رابطه نرنست-انیشتین مرتبط است.