جداسازی دی الکتروفورتیک
چگونه می توان از میدان الکتریکی برای کنترل حرکت ذرات خنثی الکتریکی استفاده کرد؟ این ممکن است غیرممکن به نظر برسد، اما در این ورودی وبلاگ، خواهیم دید که پدیده دی الکتروفورز (DEP) می تواند این کار را انجام دهد. ما یاد خواهیم گرفت که چگونه میتوان DEP را برای جداسازی ذرات اعمال کرد و یک برنامه شبیهسازی پزشکی بسیار آسان را که با Application Builder ایجاد شده و با COMSOL Server™ اجرا میشود، نشان میدهیم.
نیروهای وارد بر یک ذره در یک میدان الکتریکی ساکن ناهمگن
اثر دی الکتروفورتیک در هر دو میدان DC و AC خود را نشان خواهد داد. بیایید ابتدا به کیس DC نگاه کنیم.
یک ذره دی الکتریک غوطه ور در یک سیال را در نظر بگیرید. علاوه بر این، فرض کنید که یک میدان الکتریکی ساکن خارجی (DC) به سیستم ذرات سیال اعمال می شود. ذره در این حالت همیشه از ناحیه ای با میدان الکتریکی ضعیف به ناحیه ای با میدان الکتریکی قوی کشیده می شود، مشروط بر اینکه گذردهی ذره بیشتر از سیال اطراف باشد. اگر گذردهی ذره کمتر از سیال اطراف باشد، عکس آن صادق است. ذره به ناحیه ای با میدان الکتریکی ضعیف کشیده می شود. این اثرات به ترتیب به عنوان دیالکتروفورز مثبت (pDEP) و دیالکتروفورز منفی (nDEP) شناخته میشوند .
تصاویر زیر این دو مورد را با چند مقدار مهم نشان میدهند:
- میدان الکتریکی
- تانسور تنش ماکسول (چگالی نیروی سطحی)
تصویری از دی الکتروفورز مثبت (pDEP)، که در آن گذردهی ذرات بالاتر از سیال اطراف است..
تصویری از دی الکتروفورز منفی (nDEP)، که در آن گذردهی ذرات کمتر از سیال اطراف است..
تانسور تنش ماکسول نشان دهنده میدان نیروی محلی روی سطح ذره است. برای اینکه این تانسور تنش نماینده نیروهایی باشد که بر ذره وارد میشوند، سیال باید «ساده» باشد، زیرا نباید از نظر مکانیکی یا الکتریکی خیلی عجیب رفتار کند. با فرض ساده بودن سیال، میتوانیم از تصاویر بالا ببینیم که نیروی خالص وارد بر ذره در جهت مخالف بین دو حالت pDEP و nDEP است. ادغام نیروهای سطحی در واقع نشان می دهد که این مورد است.
معلوم می شود که اگر ذره را منقبض کنیم و به حالت بی نهایت کوچک ذره ای بسیار کوچک که مانند دوقطبی در یک سیال عمل می کند نگاه کنیم، آنگاه نیروی خالص تابعی از گرادیان مربع میدان الکتریکی است.
چرا نیروی خالص اینگونه رفتار می کند؟ برای درک این موضوع، بیایید ببینیم در نقطه ای از سطح ذره چه اتفاقی می افتد. در چنین نقطه ای، بزرگی چگالی نیروی سطحی الکتریکی،، تابعی از بار بار در میدان الکتریکی است:
(1)
جایی کهبارهای پلاریزاسیون القایی است. (بیایید فعلاً نادیده بگیریم که برخی کمیت ها بردار هستند و تنها با نگاه کردن به بزرگی ها و تناسب، یک استدلال کاملاً پدیدارشناختی ایجاد کنیم.)
بارهای پلاریزاسیون القایی متناسب با میدان الکتریکی است:
(2)
از ترکیب این دو به دست می آید:
(3)
اما این فقط چگالی نیروی سطح محلی در یک نقطه از سطح است. برای به دست آوردن نیروی خالص از تمام این سهمهای نیروی سطحی در نقاط مختلف سطح، باید بین یک طرف ذره و طرف دیگر تفاوتی در مقدار نیرو وجود داشته باشد. به همین دلیل است که نیروی خالص،، متناسب با گرادیان مربع هنجار میدان الکتریکی است:
(4)
در اشتقاق فوق، چند میانبر را انتخاب کرده ایم. مثلاً مجاز بودن در این رابطه چیست؟ آیا این ذره است یا سیال یا شاید تفاوت این دو؟ در مورد شکل ذره چطور؟ آیا فاکتور شکل وجود دارد؟
اکنون به برخی از این سوالات می پردازیم.
نیروی وارد بر یک ذره کروی
در یک مشتق دقیق تر، در عوض از رابطه بردار برای نیروی وارد بر دوقطبی الکتریکی استفاده می کنیم:
(5)
جایی کهگشتاور دوقطبی الکتریکی ذره است.
برای بدست آوردن نیرو برای ذرات مختلف، به سادگی عبارات مختلفی را برای ممان دوقطبی الکتریکی وارد می کنیم. در این عبارت همچنین میتوان دید که اگر میدان الکتریکی یکنواخت باشد، نیرویی دریافت نمیکنیم (از آنجایی که ذره کوچک است، گشتاور دوقطبی آن ثابت در نظر گرفته میشود). برای یک ذره دی الکتریک کروی با شعاع (کوچک).در میدان الکتریکی، گشتاور دوقطبی برابر است با:
(6)
جایی کهپارامتری است که به گذردهی ذره و سیال اطراف آن بستگی دارد. عاملمی تواند به عنوان یک عامل شکل دیده شود.
با ترکیب اینها به این نتیجه می رسیم:
(7)
این باز هم وابستگی به گرادیان مربع قدر میدان الکتریکی را نشان می دهد.
نیروهای وارد بر یک ذره در یک میدان الکتریکی متغیر با زمان
اگر میدان الکتریکی متغیر با زمان (AC) باشد، وضعیت کمی پیچیدهتر است. بیایید همچنین فرض کنیم که تلفاتی وجود دارد که با رسانایی الکتریکی نشان داده می شود،. نیروی خالص دی الکتروفورتیک،، روی یک ذره کروی معلوم می شود:
(8)
جایی که
(9)
و
(10)
گذردهی با ارزش پیچیده است. مشترکینوبه ترتیب ذره و سیال را نشان می دهند. شعاع ذره استوریشه میانگین مربع میدان الکتریکی است. فرکانس میدان AC است.
از این عبارت می توانیم نیروی مورد الکترواستاتیک را با تنظیم بدست آوریم. (زمانی که فرکانس به صفر می رسد نمی توانیم حد را بگیریم، زیرا رسانایی در الکترواستاتیک معنی ندارد.)
در بیان نیروی DEP، می توانیم ببینیم که در واقع تفاوت در گذردهی بین سیال و ذره نقش مهمی ایفا می کند. اگر علامت این تفاوت تغییر کند، جهت نیرو تغییر می کند. عامل مربوط به تفاوت و مجموع مقادیر گذردهی به عنوان تابع پیچیده Clausius-Mossotti شناخته می شود و می توانید در اینجا اطلاعات بیشتری در مورد آن بخوانید . این تابع وابستگی فرکانس نیروی DEP را کد می کند .
اگر ذرات کروی نیستند، بلکه مثلاً بیضی هستند، از یک عامل تناسب دیگر استفاده می کنید. همچنین عبارات نیروی DEP معروفی برای مواردی وجود دارد که ذره دارای یک یا چند پوسته بیرونی نازک با مقادیر گذردهی متفاوت است، مانند سلولهای بیولوژیکی. برنامه شبیه سازی ارائه شده در زیر شامل گذردهی غشای سلولی است که به صورت یک پوسته نمایش داده می شود.
پنجره تنظیمات برای گذردهی موثر DEP یک پوسته دی الکتریک.
ممکن است نیروهای دیگری مانند نیروی کشش سیال، گرانش، نیروی حرکت براونی و نیروی الکترواستاتیکی روی ذرات وارد شوند. برنامه شبیهسازی که در زیر نشان داده شده است شامل کمکهای نیرو از کشیدن، حرکت براونی و DEP است. در ماژول ردیابی ذرات ، طیف وسیعی از نیروهای احتمالی ذره به عنوان گزینه های داخلی موجود است و نیازی نیست که ما با تایپ کردن عبارات نیرو طولانی اذیت شویم. شکل زیر نیروهای موجود در رابط ردیابی ذرات برای جریان سیال را نشان می دهد .
گزینه های مختلف نیروی ذرات در رابط ردیابی ذرات برای جریان سیال .
جداسازی دی الکتروفورتیک ذرات
تجزیه و تحلیل و تشخیص پزشکی در تلفن های هوشمند در حال رشد سریع است. میتوانیم تصور کنیم که در آینده، یک گوشی هوشمند میتواند با یک قطعه سختافزاری که میتواند خون را نمونهبرداری و آنالیز کند، کار کند.
بیایید موردی را تصور کنیم که در آن این نوع تحلیل را می توان به سه مرحله تقسیم کرد:
- با استفاده از سخت افزاری که مستقیماً به گوشی هوشمند شما متصل می شود، خون را استخراج کنید و میانگین قطر پلاکت و گلبول قرمز را محاسبه کنید.
- کارایی جداسازی گلبول های قرمز و پلاکت ها را محاسبه کنید. برای انجام تشخیص های بیشتر روی گلبول های قرمز جدا شده باید این کارایی بالا باشد.
- از شرایط جداسازی بهینه محاسبه شده برای جداسازی گلبول های قرمز با استفاده از سخت افزار متصل به گوشی هوشمند خود استفاده کنید.
برنامه شبیهسازی COMSOL Multiphysics روی مرحله 2 فرآیند تحلیل کلی بالا تمرکز دارد. با بهرهبرداری از این واقعیت که پلاکتهای خون کوچکترین سلولهای خون هستند و گذردهی و رسانایی متفاوتی نسبت به گلبولهای قرمز دارند، میتوان از DEP برای تقسیمبندی خون براساس اندازه استفاده کرد. به عبارت دیگر، برای جدا کردن گلبول های قرمز خون از پلاکت ها.
گلبولهای قرمز رایجترین نوع سلولهای خونی و وسیله اصلی موجودات مهرهدار برای رساندن اکسیژن (O2 ) به بافتهای بدن از طریق جریان خون از طریق سیستم گردش خون هستند. پلاکت ها که ترومبوسیت ها نیز نامیده می شوند ، سلول های خونی هستند که عملکرد آنها متوقف کردن خونریزی است.
با استفاده از Application Builder، برنامهای ایجاد کردیم که جداسازی مداوم پلاکتها از گلبولهای قرمز خون (RBC) را با استفاده از ویژگی نیروی Dielectrophoretic موجود در رابط ردیابی ذرات برای جریان سیال نشان میدهد . (این برنامه همچنین به یکی از موارد زیر نیاز دارد: ماژول CFD ، ماژول Microfluidics ، یا ماژول جریان زیرسطحی و یا ماژول MEMS یا ماژول AC/DC .)
این برنامه مبتنی بر یک دستگاه آزمایشگاه روی تراشه (LOC) است که در مقاله ای توسط N. Piacentini و همکارانش به تفصیل شرح داده شده است، “جداسازی پلاکت ها از سایر سلول های خونی در جریان پیوسته توسط دی الکتروفورز میدان-جریان-شکنش “، از Biomicrofluidics ، جلد. 5, 034122, 2011.
این دستگاه از دو ورودی، دو خروجی و یک ناحیه جداسازی تشکیل شده است. در ناحیه جداسازی، آرایشی از الکترودها با قطبیت متناوب وجود دارد که مسیرهای ذرات را کنترل می کند. الکترودها میدان الکتریکی غیریکنواخت مورد نیاز برای استفاده از اثر دی الکتروفورتیک را ایجاد می کنند. شکل زیر هندسه مدل را نشان می دهد.
هندسه مورد استفاده در برنامه شبیه سازی جداسازی ذرات.
سرعت ورودی برای ورودی پایین به طور قابل توجهی بالاتر (853 میکرومتر بر ثانیه) از ورودی بالایی (154 میکرومتر بر ثانیه) است تا تمام ذرات تزریق شده را به سمت خروجی بالایی متمرکز کند.
این برنامه بر اساس مدلی ساخته شده است که از رابط های فیزیکی زیر استفاده می کند:
- جریان خزنده (ماژول میکروفلوئیدیک) برای مدل سازی جریان سیال.
- جریان های الکتریکی (AC/DC یا ماژول MEMS) برای مدل سازی میدان الکتریکی در میکروکانال.
- ردیابی ذرات برای جریان سیال (ماژول ردیابی ذرات) برای محاسبه مسیر گلبولهای قرمز و پلاکتها تحت تأثیر نیروهای پسا و دیالکتروفورتیک و در معرض حرکت براونی.
سه مطالعه در مدل زیربنایی استفاده می شود:
- مطالعه 1 پتانسیل الکتریکی دینامیک سیالات حالت پایدار و دامنه فرکانس (AC) را با فرکانس 100 کیلوهرتز حل می کند.
- مطالعه 2 از یک مرحله مطالعه وابسته به زمان استفاده می کند، که از راه حل مطالعه 1 استفاده می کند و مسیرهای ذرات را بدون نیروی دی الکتروفورتیک تخمین می زند. در این مطالعه، تمام ذرات (پلاکت ها و گلبول های قرمز) به یک خروجی متمرکز می شوند.
- مطالعه 3 دومین مطالعه وابسته به زمان است که شامل اثر نیروی دی الکتروفورتیک است.
می توانید مدلی که برنامه بر اساس آن ساخته شده است را از اینجا دانلود کنید .
یک برنامه شبیه سازی زیست پزشکی
برای ایجاد برنامه شبیه سازی، از Application Builder استفاده کردیم که در COMSOL Multiphysics® نسخه 5.0 برای سیستم عامل Windows® گنجانده شده است.
شکل زیر برنامه را همانطور که در اولین راه اندازی به نظر می رسد نشان می دهد. در این مورد، برای اجرای برنامه COMSOL Multiphysics در یک مرورگر وب استاندارد، به یک نصب سرور ™ COMSOL متصل شده ایم.
یک برنامه شبیه سازی زیست پزشکی که در یک مرورگر وب استاندارد اجرا می شود.
این برنامه به کاربر اجازه می دهد مقادیری مانند فرکانس میدان الکتریکی و ولتاژ اعمال شده را وارد کند. نتایج شامل یک مقدار اسکالر برای کسری از گلبول های قرمز جدا شده است. علاوه بر این، سه تجسم مختلف در یک پنجره زبانهای موجود است: توزیع سلولهای خون و پلاکت، پتانسیل الکتریکی و میدان سرعت برای جریان مایع.
شکل های زیر تجسمی از پتانسیل الکتریکی و میدان جریان را نشان می دهد.
اسکرین شات پتانسیل الکتریکی آنی در کانال میکروسیال را نشان می دهد.
تصویر صفحه نمایش بزرگی سرعت سیال.
این برنامه دارای سه گزینه حل مختلف برای محاسبه فقط میدان جریان، محاسبه جداسازی با استفاده از میدان جریان موجود، یا ترکیب این دو است. اگر جداسازی تمیزی وجود نداشته باشد، یک پیام هشدار نشان داده می شود.
افزایش ولتاژ اعمال شده باعث افزایش مقدار نیروی DEP می شود. اگر بازده جداسازی به اندازه کافی بالا نباشد، میتوانیم ولتاژ را افزایش داده و روی دکمه Compute All کلیک کنیم، زیرا در این حالت، هم میدانها و هم مسیر ذرات باید دوباره محاسبه شوند. ما می توانیم مقدار تابع کلازیوس-موسوتی بیان نیروی DEP را با تغییر فرکانس کنترل کنیم. به نظر می رسد که در فرکانس مشخص شده 100 کیلوهرتز، تنها گلبول های قرمز خون از خروجی پایین تر خارج می شوند.
گذردهی سیال در این مورد بالاتر از ذرات است و پلاکت ها و گلبول های قرمز هر دو نیروی DEP منفی را تجربه می کنند، اما با بزرگی متفاوت. برای رسیدن به یک طراحی کلی موفق، باید نیروهای DEP را نسبت به نیروهای ناشی از کشش سیال و حرکت براونی متعادل کنیم. شکل زیر شبیه سازی با پارامترهای ورودی را نشان می دهد که منجر به موفقیت 100% در جداسازی گلبول های قرمز از طریق خروجی پایین می شود.
جداسازی موفقیت آمیز گلبول های قرمز.
بیشتر خواندن
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد دی الکتروفورز و کاربردهای آن، روی یکی از پیوندهای فهرست شده در زیر کلیک کنید. در لیست، پیوندی به یک ویدیو در Application Builder وجود دارد، که همچنین نحوه استقرار برنامهها را با COMSOL Server™ به شما نشان میدهد.
- گالری مدل: جداسازی ذرات دی الکتروفورتیک
- گالری ویدئو: نحوه ساخت و اجرای برنامه های شبیه سازی با COMSOL Server™ (وبینار آرشیو شده)
- ویکی پدیا: دی الکتروفورز
- ویکی پدیا: قطبش ماکسول-واگنر-سیلارز
- ویکی پدیا: رابطه کلازیوس-موسوتی
Windows یک علامت تجاری یا علامت تجاری ثبت شده Microsoft Corporation در ایالات متحده و/یا سایر کشورها است.
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید