بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روش های مؤثر و کارآمد جهت دستکاری و جداسازی میکروذرات استفاده از پدیده دی الکتروفورز است ؛ در این پدیده ذرات موجود در سیال تحت تأثیر میدان الکتریکی غیر یکنواخت قرار می گیرند. به دلیل خواص الکتریکی ذرات زیستی، می توان آنها را بر اساس خواص الکتریکی ذرات و سیال از یکدیگر جدا کرد. در این تحقیق پس از ارائه معادلات حاکم بر این پدیده، به چگونگی جداسازی دو ذره بیولوژیکی و تأثیر اندازه میکروذرات در حفظ و عدم تغییر مسیر ذرات در میکروکانال طراحی شده پرداخته ایم. نیروی دی الکتروفورز عمود بر جهت عملگر ساخته شده به الکترودهای شانه ای دارای پتانسیل الکتریکی 5 ولت با عرض 40 میکرومتر و فاصله 40 میکرومتر وارد می شود. جداسازی ذرات بیولوژیکی که شامل پلاکت و نوعی از RBC ها به نام ماکروسیت که به ترتیب دارای ابعاد 3 و 9,5 میکرون هستند، از نقطه نظر شناسایی بیماری آنیزوسیتوزیس که در آنمی های حاد مشاهده می شود، حائز اهمیت است. نتایج بررسی ها نشان داد تأثیر اندازه میکروذرات در حفظ مسیر ذرات بسیار مؤثر است.
کلید واژه ها : دی الکتروفورز، جداسازی دو ذره بیولوژیکی، ماکروسیت، آنیزوسیتوزیس
.1مقدمه
دستکاری سلول ها و جداسازی آن ها کاربردهای بسزایی از نظر تشخیص و درمان انواع سرطان ها دارند. جداسازی در ابعاد میکرو و ماکرو نیز انجام می شود از آنجایی که در ابعاد میکرو نیروی جداکننده مستقیم به ذره هدف اعمال می شود، بازده، خلوص و نیز کاربرد بیشتری دارد.[1]برای این منظور حدود دو دهه پیش، فناوری های میکروفلوئیدیک به همراه کانال هایی با ابعاد میکرومتر و برای سیالات گوناگون پدید آمدند.اولین بار میکروفلوئیدیک در سال 2007 به عنوان کنترل دقیق ذرات از طریق استفاده از اثرات متقابل هیدرودینامیکی در سرعت های بالا که در قدیم کارایی نداشتند، استفاده شد.[2]توانایی کنترل دقیق حرکت سلولی در اندازه میکرو در تحقیقات بیولوژیکی و مراقبت سلامتی میکروسیال ها امری مهم است.
بعد از گذشت بیست سال فناوری میکرو سیال عمدتا" در خصوص روش های، دی الکتروفورز1، مگنتوفورز2 و متمرکز سازی اینرسی[3]3 به کار گرفته می شود4]و.[5 براساس نیروهای بکارگرفته شده می توان جداسازی ذرات را به دو روش فعال و غیرفعال تقسیم کرد. جداسازی با اعمال نیروی خارجی که شامل دی الکتروفورز [8-6]، مگنتوفورز [9]، آکوستوفورز[10] 4 و جدایش توسط نیروهای نوری5 است، جزء روش فعال و جداسازی بدون اعمال نیروی خارجی شامل هیدروفورز11] 6و[12 ، تغییر مکان قطعی جانبی13] 7 و[14 و روش های گرانشی[15]، جزء روش غیر فعال می باشند که هر کدام از روش های گفته شده کاربرد مخصوص به خود را دارند.
در روش های فعال، وابستگی به میدان خارجی نیرو وجود دارد و به دلیل زمان لازم برای تحت تاثیر قرار گرفتن ذرات توسط نیروی خارجی، نرخ ورودی به سیستم پایین می باشد. اضافه نمودن یک نیروی خارجی، طراحی را پیچیده تر می نماید اما همچنین می تواند انعطاف پذیری و قابلیت کنترل را نیز برای سیستم فراهم آورد. در مقابل، روش های منفعل وابسته به نیروهای ذاتی هیدرودینامیکی و هندسه کانال می باشند. دستگاه های منفعل ساده تر است و می توانند ورودی بسیار بالاتری داشته باشند. از سوی دیگر جداسازی بر مبنای اندازه[16]، چگالی[17]، شکل پذیری[18]، خواص الکتریکی19]و[20 و مغناطیسی[21] نیز صورت می گیرد.
روش های گوناگونی برای جداسازی سلول ها، پلیمر ها و مولکول های کوچک ارئه شده که مقایسه عملکرد هر یک متفاوت است، برخی ورودی بالا و برخی تفکیک پذیری بالا را مطرح می کنند. اصول جدایی در برخی روش ها نیازمند نشانه دار کردن نمونه و برخی بر اساس خواص ذاتی نمونه است. کاربردهای شگرف این روش ها کمک های بسزایی در زمینه پزشکی کرده است.[22]از این میان، عملگرهای دی الکتروفورز که برای جداسازی ذرات از تفاوت در خواص الکتریکی استفاده می کنند، به یک ابزار قدرتمند برای جداسازی ذرات تبدیل شده اند. از جمله مزایای این عملگرها این است که می توانند رنج متنوعی از ذرات را بدون اینکه بر چسب گذاری انجام شود، با خلوص و بازده بالایی از یکدیگر جداکنند. [23]
اصطلاح دی الکتروفورز برای اولین بار در سال 1978 توسط پل استفاده شد.[24] دی الکتروفورز به نیرویی که به یک ذره قطبش پذیر در یک میدان الکتریکی غیر یکنواخت و معمولا" متغیر با زمان وارد می شود، گفته می شود. نیروی دی الکتروفورز به اندازه ذرات، خواص الکتریکی ذرات، خواص الکتریکی سیال و میدان الکتریکی بستگی دارد که بسته به خواص الکتریکی ذره و سیال اطراف آن، ذرات به سمت جایی که شدت میدان الکتریکی زیاد است جذب شده - دی الکتروفورز مثبت - و یا از آن رانده می شوند - دی الکتروفورز منفی - .[25] لذا سیستم باید به نحوی طراحی شود که ذرات تحت اثر میدان الکتریکی غیر یکنواخت قرار بگیرند.
الگوهای پیشنهاد شده شامل الگوهای شانه ای 26]و[27، چند جمله ای [28] و کنگره ای [29] می باشد. نوع شانه ای یکی از پر کاربردترین الگوهایی است که در جداسازی سلول ها و ذرات استفاده می کنند. مرگان8 و همکاران با استفاده از سری فوریه یک رابطه تحلیلی برای میدان الکتریکی ایجاد شده توسط الکترودهای شانه ای ارائه نمودند . [30] گرین9 و همکاران نیز با استفاده از روش المان محدود نیروی وارد به ذره را هنگامی که الکترودهای دوفاز و چهارفاز است محاسبه کردند.[31]اولین مواد مورد استفاده برای ساخت این تراشهها سیلیکون و شیشه بودند. با وجود مزایای این مواد از جمله پایداری شیمیایی، عواملی چون گرانبودن و غیرشفافبودن سبب شد مواد جدیدی برای ساخت تراشهها استفاده شود. درحال حاضر - polydimethylsiloxane - PDMS و دیگر پلیمرهای بر پایهی Siloxane به صورت گستردهای در ساخت تراشههای میکروسیالی به کار میروند.
ساخت میکروکانال ها به این صورت است که، پیرکس ویفر - نوعی شیشه - به عنوان پوشش بالا و پایین سوئیچ میکروسیال به منظور فراهم آوردن دسترسی نوری از منبع نور لیزر و آشکارساز تصویر استفاده می شود.لایه های بی نظم سیلیکونی در هر طرف پیرکس ویفر به منظور حفاظت از اسید هیدروفوئوریک - HF - گذاشته می شود. لایه های بی نظم سیلیکونی - - a-si به روش زدایش خشک ساختار دهی می شوند. سوراخ های زدایش اتصال بین کانال های میکروسیالی را ایجاد می کند.لایه های بی نظم سیلیکونی از هیدروکسید پتاسیم - KOH - برداشته شده و پیرکس در کلرید هیدروژن - - HCL، هیدروژن پراکسید - H2O2 - و اسید سولفوریک - H2SO4 - شسته می شود. سیلیکون ویفر با استفاده از لیتوگرافی نوری ساخته می شود. بعد از ساخت ضخامت ویفرسیلیکون 360 میکرومتر شده و پیرکس ویفرها به بالا و پایین آن متصل می شوند32]و.[33
هدف از این پژوهش، شبیه سازی ساز و کار مرتبط با جداسازی ذرات با اعمال نیروی خارجی دی الکتروفورز و شناخت دقیق تر بر روی داده های به دست آمده در طی جداسازی پیش از هر تلاشی، برای ساخت دستگاه جداسازی ذرات است که در نتیجه کاهش هزینه های ساخت را به دنبال دارد. در این تحقیق جداسازی دو نوع ذره بیولوژیکی و تعیین رنجی از اندازه ذرات به طوری که جداسازی صورت گیرد، انجام شد. در حالت طبیعی گلبول های قرمز دارای اندازه 7,5 میکرونی می باشند که به آن ها نورموسیت10 می گویند. چنانچه کوچکتر از اندازه طبیعی شوند به آن ها میکروسیت11 و اگر بزرگتر شوند ماکروسیت 12 خوانده می شوند. لذا اگر اندازه گلبول های قرمز تغییر یابد فرد مبتلا به آنیزوسیتوزیس13 که سبب ایجاد کم خونی است، می شود.[34] بنابراین جداسازی پلاکت ها و ماکروسیت ها می تواند کاری مفید در زمینه ی تحقیقات در حوزه ی میکروفلوئیدیک و پزشکی باشد.
.2 مواد و روش ها
.1,2 تئوری و مدل سازی
زمانی که یک ذره قطبش پذیر در یک میدان الکتریکی قرار می گیرد تشکیل دو قطبی می دهد. اگر میدان الکتریکی اعمالی به ذره یکنواخت باشد، نیروی وارد بر ذره صفر و اگر میدان الکتریکی که ذره در آن قرار دارد غیریکنواخت باشد نیروی دی الکتروفورز وارد بر ذره طبق رابطه - - 1 می باشد:[35]
