بخشی از مقاله
چکیده
در علوم تشخیصی بیولوژیکی و شیمیایی ،جداسازی گونه های باردار الکتریکی اهمیت اساسی دارد .الکتروفورز یکی از روش های جداسازی گونه های باردار می باشد،که تحت میدان الکتریکی یکنواخت انجام می شود.از آنجا که در علوم تشخیصی سرعت و دقت بسیار اهمیتدارد،در مقاله به سه فاکتور مهم در رابطه با سرعت و دقت در جداسازی، یعنی زمان،راندمان و ضریب تفکیک جداسازی پرداخته شده است.در هندسه متقاطع معمولی قدیمی زمان جداسازی برابر120 s و ضریب تفکیک پذیری و راندمان جداسازی به ترتیب برابر 2/85 و 1004/8 بوده است.در این مقاله هندسه متقاطع جدیدی از میکروکانالهای الکتروفورز ارائه شده است که دارای زمان جداسازی کمتر ، برابر85 s و ضریب تفکیک پذیری و راندمان بالاتر ،به ترتیب برابر با4/03و2433/7 می باشد. لازم به ذکر است که شبیه سازی در این مقاله با نرم افزار Comsol انجام گرفته است.
کلید واژه- الکتروفورز،میکروکانال الکتروفورز،زمان جداسازی،راندمان جداسازی ،ضریب تفکیک پذیری جداسازی.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر دستگاههای میکروسیال که به عنوان دستگاه های آزمایشگاه روی تراشه شناخته می شوند، در زمینه جداسازی پیشرفت زیادی داشته اند. روشهای مختلفی برای جداسازی وجود دارد، یکی از این روشها الکتروفورز می باشد. الکتروفورز یک روش جداسازی مبتنی بر سرعت تفاضلی مهاجرت گونه های باردار در یک محلول بافر تحت یک میدان الکتریکی یکنواخت می باشد.[1]پدیده الکتروفورز در سال 1909 توسط میکائیلس کشف شد.[2] ابتدا الکتروفورز در لوله های موئین انجام می شد اما از سال 2001 الکترو فورز میکروتراشه ای گسترش یافته است4]،[3 .جداسازی سریع، راندمان بالا، مصرف نمونه و بافر کم و هزینه نسبتا پایین ساخت ، مزایای اصلی این شیوه نسبت به دیگر تکنیک های جداسازی می باشد.[5]
در سال 2005 تیسیا و همکارانش هندسه های مختلف از میکروکانال ها را مورد آزمایش قرار دادند و دریافتند که هندسه متقاطع نسبت به سایر هندسه ها دارای نشتی کمتر در هنگام تزریق بوده و در نتیجه ضریب تفکیک پذیری بالاتری در جداسازی دارد.[6]از آن به بعد هندسه معمول مورد استفاده برای کانال ها به صورت متقاطع بوده است.در این مقاله هندسه متقاطع جدیدی ارائه شده است که نسبت به هندسه متقاطعمعمولی زمان جداسازی کمتر و ضریب تفکیک پذیری و راندمان بیشتری داشته و در نتیجه آنالیز گونه ها را با سرعت و دقت بیشتری انجام می دهد.
-2 تئوری الکتروفورز
وسایل میکرو سیال به دلیل کاربردهای فراوانی که در زمینه های آنالیز بیولوژیکی و شیمیای دارند، مورد توجه قرار گرفتند.یکی از این کاربردهای اصلی در زمینه آنالیز، جداسازی و یکی از روشهای جداسازی، الکتروفورز می باشد. الکتروفورز در واقع جداسازی ذرات باردار تحت تاثیر میدان الکتریکی یکنواخت می باشد.[7]با توجه به شکل1، به یک ذره باردار کروی با شعاع a و بار ze که در سیال تحت میدان الکتریکی یکنواخت قرار می گیرد،نیروی الکتریکی ناشی از میدان اعمالی و نیروی کششی ناشی از سیال، وارد می شود.با توجه به این دو نیرو سرعت الکترو فورز از رابطه - 1 - بدست می آید:[5]
در معادلات بالا سرعت الکتروفورتیکی و بار الکتریکی ذره ،a شعاع ذره، ویسکوزیته سیال ،میدان الکتریکی اعمالی قابلیت حرکت الکتروفورتیکی می باشد.هندسه های متنوعی برای میکروکانالهای الکتروفورز وجود دارد ،همانطور که گفته شد هندسه متقاطع به دلیل نشتی کمتر در حین تزریق، متداول ترین هندسه مورد استفاده می باشد. تزریق در میکروکانالها به روش های متفاوتی از جمله ایجاد خلا ،ایجاد اختلاف سطح، فشار و الکتروجنبشی انجام می شود.[8]روش الکتروجنبشی به دلیل کنترل راحتر بر سایر روش های تزریق برتری دارد.تزریق gated یکی از روش های تزریق الکتروجنبشی می باشد.
این تزریق نسبت به سایر تزریق های الکتروجنبشی ، به دلیل حجم نمونه تزریقی کمتر و کنترل راحت تر، برتری دارد.شکل زیر نحوه تزریق gated را نشان می دهد.[9]شکل - - 2 مراحل تزریق gated را نشان می دهد. در قسمت - A - بین مخازن بافر و ضایعات بافر ولتاژ 120vو بین مخازن نمونه و ضایعات نمونه ولتاژ 80v اعمال می کنیم، با این کار نمونه و بافر به داخل کانال ها بارگذاری می شوند ،در قسمت - - B با قطع ولتاژ مخزن بافر برای چند ثانیه ، مقداری از غلظت نمونه در تقاطع بین کانال قرار می گیرد و پس از آن در قسمت - C - با اعمال دوباره ولتاژ به مخزن بافر، نمونه به کانال جداسازی تزریق می شود.
-3 معادلات حاکم بر میکروکانال الکتروفورز
شکل 3 هندسه کانال جداسازی را نشان می دهد که در معرض میدان الکتریکی طولی قرار گرفته است.در این مدل H و L به ترتیب نشان دهنده عرض و طول کانال جداسازی و E نشان دهنده میدان الکتریکی اعمالی است.با توجه به این شکل معادلات حاکم بر میکروکانال الکتروفورز - 1معادله پواسون-بولتزمن - 2معادله ارنست- پلانک - 3معادله ناویر-استوکس - 4معادله غلظت گونه ها،می باشد.[10-12]
-1-3 معادله پواسون- بولتزمن
زمانی که یک سیال دارای یون های مثبت و منفی در تماس با سطح بارداری قرار می گیرد، یک لایه دو گانه الکتریکی به وجود می آید. بنابراین میدان پتانسیل در هر نقطه مورد نظر از محلول شامل هر دو پتانسیل لایه دوگانه الکتریکی و پتانسیل اعمالی می باشد . بر مبنای نظریه الکترواستاتیک، ارتباط بین توزیع پتانسیل الکتریکی و توزیع بارهای الکتریکی توسط معادله پواسون- بولتزمن مشخص می شود که شکل بی بعد آن به صورت رابطه - - 2 است:[10-12] توزیع پتانسیل ناشی از لایه دوگانه الکتریکی، توزیع پتانسیل خارجی ناشی از الکترودها، غلظت عددی یونهای منفی، غلظت عددی یونهای مثبت،K=Kh پارامتر بی بعد دیبای- هوکل،ضخامت مشخصه لایه دوگانه الکتریکی: ،که در آن،z وe و و و و به ترتیب عدد والانس الکترولیت متقارن ،بار پایه الکترون ،غلظت عددی توده یونها در محلول یکنواخت ثابت دی الکتریک محلول ، ثابت بولتزمن و دما مطلق الکترولیت هستند.
-2-3 معادلات ارنست - پلانک
محاسبه غلظتهای یونی از حل معادلات انتقال یونها به دست می آید که با نام معادلات ارنست- پلانک شناخته می شوند. شکل بی بعد این معادلات به صورت روابط - 3 - و - 4 - می باشد-12] :[10 بردار سرعت، عدد اشمیت، عددرینولدز کهکه می باشد.به ترتیب ضرایب پخش مولکولی برای یون های مثبت و منفی ، یک پارامتر بی بعد است که بیانگر نسبت ولتاژاعمالی خارجی به ولتاژ مبناست. در معادلات - - 3 و - - 4 جمله سمت چپ تساوی مربوط به جابه جایی یونهاست . جمله اول در سمت راست تساوی در صورت کسر مربوط به پخش مولکولی یون ها و جمله بعدی مربوط به پخش ناشی از مهاجرت یون ها بر اثر پتانسیل الکتریکی است.
-3-3 معادله ناویر- استوکس
برای جریان سیال در شرایط دائمی و با خواص فیزیکی ثابت، معادلات جریان در یک سیستم تحت اثرات الکتروجنبشی در شکل بی بعد به صورت رابط - - 5 نوشته می شوند:[10-12]
یک پارامتر بی بعد است که معرف نسبت فشار یونی به فشار دینامیکی است.فشار بی بعد به صورت تعریف می شود.جمله آخر در معادله - 5 - نیروی حجمی ناشی از اثرات میدان الکتریکی و یونهای باردار درون سیال است.
-4-3 معادله غلظت گونه ها
برای بررسی پدیده اختلاط، میدان اسکالر برای غلظت یک گونه بایستی حل شود. معادله حاکم بر میدان غلظت به شکل رابطه - 6 - است: [10 ]
که در آن Sc عدد اشمیت و Re عدد رینولدز می باشد.
-4 فاکتور های مهم در جداسازی
سه فاکتور مهم در جداسازی - 1:زمان جداسازی - 2ضریب تفکیک پذیری یا رزولوشن - 3راندمان می باشد .زمان جداسازی به زمانی اتلاق می گردد که در آن زمان غلظت یونها از هم جدا شده باشند. با توجه به شکل 4، ضریب تفکیک پذیری ،میزان تفکیک پذیری یونهای نمونه از هم را نشان می دهد و از رابطه - 7 - بدست می آید.راندمان به تعداد بشقابک های نظری که برای توصیف ستون تقطیر استفاده می شوند،گفته می شود. هرچه تعداد بشقابک ها بیشتر باشد، راندمان سیستم جداسازی بیشتر می شود، که با استفاده از رابطه - 8 - بدست می آید.[13]همانطور که از شکل 4 مشخص است فاصله بین پیک غلظت گونه اول و گونه دوم از نمونه جدا سازی شده است و نصف پیک غلظت نمونه جدا شده اول بوده و فاصله تقاطع کانالها تا نقطه آشکارسازی می باشند.
-5 طراحی میکروکانالها
در این پژوهش هندسه متقاطع جدیدی از میکروکانال پیشنهاد و بررسی شده است و با هندسه متقاطع معمولی در شرایط[14] تزریق gated، طول میکروتراشه ها 45 mm و طول الکترودها - که در انتهای هر یک از کانالها قرار می گیرند - 50و تزریق بافر mes/his و تزریق نمونه و با اندازه شعاع یونی به ترتیب برابر با 116،152و90 پیکومتر ، هر کدام 200 ،کانال از جنس PMMA و در نهایت ولتاژ اعمالی بین الکترودهای مخزن بافر و ضایعات بافر 120v و بین الکترودهای نمونه و ضایعات نمونه 80 v ، مقایسه به عمل آمده است.
