استفاده از سیستم میکروسیالی جهت انجام تحقیقات بیوشیمیایی- پزشکی ، تجزیه و تحلیل DNA ، جداسازی و استخراج سلولی، دارای مزایای فراوانی می باشد.
به دلیل اینکه زمینه میکروسیالی، یک حوزه تقریباً جدید می باشد، بنابراین شبیه سازی های عددی سیستم های میکروسیالی
می تواند هم از نظر ارائه یک ابزار تحقیقاتی و هم به عنوان یک طرح کارآمد و ابزار بهینه سازی، بسیار مفید و ارزشمند باشد.
لذا هدف از این تحقیق، شبیه سازی میکرو کانالها با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به منظور جداسازی آلبومین
( پروتئین موجود در خون انسان ) می باشد. برای جداسازی، از میکروکانال H شکل که به نوبه خود جدید می باشد استفاده شد. در این تحقیق از میکروکانال برای بررسی جداسازی استفاده گردید. به دلیل اینکه حجم سیال موجود در میکرو کانال کم می باشد معمولاً عدد رینولدز کمتر از یک بوده و هیچگونه فرآیند اختلاط کنوکسیونی رخ نمی دهد. تنها موردی که در آن مواد حل شده در جهتی معکوس با جهت جریان اصلی حرکت می یابند، پدیده نفوذ می باشد.
لذا در این تحقیق بمنظور جداسازی آلبومین، از دو نوع سیال نیوتنی وغیر نیوتنی تراکم ناپذیر و با ضرایب نفوذ متفاوتی استفاده گردیده است. نتایج معرف آنست که پدیده نفوذ در سیالات غیرنیوتنی بهتر انجام می گیرد و غلظت در کانال در مدت زمان کمتری به تعادل می رسد. همچنین از مدلهای ویسکوزیته استفاده شده در شبیه سازی سیالات غیرنیوتنی ، نتایج مدل ویسکوزیته کوآرا نتایج بهتری را حاصل می نماید.
کلمات کلیدی:
میکروسیال- میکروکانال - جداسازی- دینامیک سیالات محاسباتی - جریان خون - سیال غیر نیوتنی - شبیه سازی
یک سیستم دستگاهی میکروفلویدی (میکروسیالی) می تواند توسط این حقیقت شناخته شود که دارای یک یا چند کانال با حداقل یک بعد کمتر از یک میلی متر می باشد. سیالات متداول مورد استفاده در سیستم های دستگاهی میکروسیالی شامل نمونه های خونی کامل و واحد، سوسپانسیون های سلول های باکتریایی ،
محلول های پادتن یا پروتئینی و انواع مختلف محلول های بافر یا تامپون می باشند. می توان از این سیستم های دستگاهی میکروسیالی جهت نیل و حصول به دامنه گسترده و گوناگونی از محاسبات جالب و کامل نظیر ضرایب پخش و نفوذ مولکولی، ویسکوزیته سیالی ، ضرایب پیوندی مواد شیمیایی و سنتیک های واکنش آنزیم ها، استفاده نمود . سایر کاربردهای دیگر موجود برای دستگاه های میکروسیالی نیز شامل روش جداسازی کروماتوگرافیکی موئین یا مویرگی ، روش متمرکز و مجتمع کردن ایزوالکتریکی ارزیابی و تجزیه و تحلیل سیستم ایمنی ، سیتومتری جریانی، تزریق نمونه های پروتئین جهت تجزیه و تحلیل از طریق روش اسپکترومتری جرمی ، تجزیه و تحلیل DNA ، بکارگیری کنترلی سلولی، جداسازی و استخراج سلولی ، الگوسازی سلولی، وتشکیل و ایجاد اجزاء خاص مواد شیمیائی، می باشد. بیشتر این کاربردها برای تشخیص های بالینی مفید و سودمند هستند.
استفاده از سیستم های دستگاهی میکروسیالی جهت انجام تحقیقات بیوشیمیائی- پزشکی و ایجاد و خلق تکنولوژیهای مفید از لحاظ بالینی، دارای مزایایی قابل ملاحظه و چشمگیری می باشد. در ابتدا، به دلیل اینکه حجم سیالات موجود در این کانال یا شیارها بسیار کم می باشد، بنابراین معمولا نیاز به وجود چندین نانو فیلتر، مقدار واکنشگرها و آنالیت های مورد استفاده، بسیار کم می باشد و این مورد بخصوص برای مواد واکنشگر گران قیمت چشمگیر و قابل ملاحظه می باشد. تکنیک های تولیدی مورد استفاده جهت ساخت سیستم های دستگاهی میکروسیالی، که بعداً دقیقتر و بیشتر به آن پرداخته می شود، نسبتاً ارزان قیمت بوده و از هر دو جنبه ساختار بسیار پیچیده و دقیق با سیستم های دستگاهی چند گانه یا چند قسمتی و تولید جرم، بسیار معقول و منطقی می باشند. به طریقی مشابه با روش موجود برای سیستم های میکروالکترونیک ، تکنولوژیهای میکروسیالی، ساخت سیستم های دستگاهی تلفیقی و کامل از لحاظ انجام دادن عملکردهای بسیار متفاوت با یک تراشه مشابه دارای چند لایه، را امکان پذیر ساخته اند. یکی از اهداف بلند مدت در حوزه سیستم های میکروسیالی، ساخت و ایجاد دستگاه های تشخیص بالینی قابل حمل و کامل جهت استفاده های داخلی و جانبی و نیز حذف یا به حداقل رساندن روش های تجزیه و تحلیلی وقت گیر آزمایشگاهی می باشد.
در یک سیستم میکرو سیالی، جداسازی میتواند با استفاده از روش استخراج مبتنی بر نفوذ انجام شود یعنی از نفوذ می توان برای استخراج در یک سیستم میکرو سیالی استفاده کرد که در آن ابعاد کانال به حد زیادی کوچک می باشد که فقط جریانهایی با عدد رینولدز کم 1 Re<< می توانند بکار برده شوند.
در ابتدا دو سیستم جریان مجزا (یعنی یک جریان ماده حامل و یک جریان مادهُ رقیق کننده) هر دو به درون کانال فرستاده می شوند که در آن ذرات می توانند بین دو جریان غیر مخلوط شونده انتشار یابند. نسبت سیال حامل به سیال رقیق کننده موجود در کانال مرکزی با استفاده از فشار برگشتی مربوط به هر یک از دو مدخل ورودی کانال کنترل می شود. در اعداد رینولدز 10Re>> ، اختلاط مستقل از نفوذ بین دو سیال موجود در کانال مرکزی رخ خواهد داد. اما هنگامیکه کانالها از لحاظ اندازه به حد کافی کوچک باشند ، دو جریان موازی بدون آشفتگی به ازای طول کانال وجود دارند. فقط اختلاط نفوذی در سیالاتی با ویسکوزیته کم رخ میدهد.
در انتهای کانال جریان موازی، یک بخش از جریان ماده حامل جدا و تفکیک شده، و به درون کانال خروجی یا محصول می رود و از آنجائیکه جریان فوق در ناحیه عدد رینولدز کم می باشد این جداسازی میتواند بدون اختلاط کامل انجام شود. زمان موجود برای تبادل نفوذ بین دو سیال( t=L/v) ، بوسیله سرعت سیال(v) موجود در کانال مرکزی و طول کانال(L) کنترل می شود.
فهرست مندرجات:
چکیده
مقدمه
فصل اول سیستم میکرو سیالی
1-1 اصول بنیادی سیستم های میکروسیالی
1-1-1 جریان ناشی از فشار
1-1-2 جریان الکترونیکی
1-2 نمونه شبیه سازی شده از سنسور T شکل
1-2-1 جریان دو ویسکوزیته ای
1-3 تأثیر نسبت بعد کانال
فصل دوم: پدیده چند مقیاسی در سیستم های میکروسیالی و نانوسیالی
2-1 مقدمه
2-2 سیستم های میکروسیالی و نانوسیالی
2-3 الکتروسنتیک در میکروسیالات و نانوسیالات
2-3-1 الکترو اسمز
2-3-2 الکتروفورسیز و دی الکتروفورسیز
2-3-3 الکتروسینتیک غیر خطی
2-3-4 مکانیک سیالات سیستم های میکرو و نانو سیال
2-4 مدل های شبیه سازی سیتم های میکرو و نانو سیال
2-4-1 مدل شبیه سازی ناویر- استوکس / استوکس
2-4-2 روش شبیه سازی دینامیک مولکولی
2-4-3 روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو(DSMC) و روش لاتیک-بولتزمن LBM))
2-5 مدلسازی چند مقیاسی
2-6 روش جداسازی سلول- ذره با استفاده از DC-DEP
2-7 تکنیک های جداسازی DNA
فصل سوم: تاثیر تراکم پذیری و انتقال بر توربولنس در جریان درون میکروکانالها
3-1 مروری بر کارهای انجام شده
3-2- میکرو کانالها
3-2-1- تولید میکرو کانال
3-2-2- روشهای آزمایشگاهی
3-3 شبیه سازی
3-4 بررسی نتایج محققین
3-4-1 نتایج آزمایشگاهی
فصل چهارم: کاربرد سیستمهای میکرو با آرایش پروتئینی فلوئورسنتی
4-1 مقدمه
4-2 مروری بر کارهای گذشته
4-2-1 تهیه میکرو ساختار آرایشی
4-2-2 تجزیه و تحلیل جریان
4-3 روشها
4-3-1 روش جریان دانه ای ثابت
4-3-2 روش ته نشینی
4-3-3 روش تقویت سیگنال
4-4 ساختار آرایش پروتئین معکوس
فصل پنجم:سیالات غیر نیوتنی و کاربرد آن در سیستم های میکروسیال
5-1 رفتار غیر نیوتنی
5-2 رفتار سیال مستقل از زمان
5-2-1 سیالات شبه پلاستیک
5-2-2 سیالات دایلاتنت
5-2-3 سیالات ویسکوپلاستیک
5-3 رفتار سیال وابسته به زمان
5-3-1 سیال تیکسوتروپیک
5-3-2 سیال رئوپکسی
5-4 سیال ویسکوالاستیک
5-5 سیالات غیر نیوتنی در سیستم های میکروسیال
فصل ششم:آشنایی با نرم افزار FEMLAB در مهندسی شیمی
6-1 روش المان محدود
7-2 مقدمه ای بر مدلسازی به روش المان محدود در مکانیک سیالات
6-3 نکاتی در مورد نرم افزار FEMLAB
6-4 FEMLAB چیست
6-5 روش های کاربردی در FEMLAB
6-6 مدول مهندسی شیمی در FEMLAB
6-7 موازنه های ممنتوم
6-7-1 توصیف جریان در زیر لایه متخلخل با قانون دارسی
6-7-2 توصیف جریان با معادلات ناویر- استوکس
6-7-3 جریان غیر نیوتنی
6-7-4 بسط
6-7-5 جریان تراکم پذیر اولر
6-8 موازنه های انرژی
6-9 موازنه های جرم
6-9-1 کاربردهای جابجایی- نفوذ و نفوذ با استفاده از قانون فیک
6-9-2 کاربردهای جابجایی- نفوذ و نفوذ مورد استفاده در انتقال استفان- ماکسول
6-9-3 انتقال جابجایی- نفوذ، حرکت مولکولی در موازنه جرم با استفاده از معادلات پلانک- نرنست
فصل هفتم:شبیه سازی میکروسلول H شکل
7-1 فیلترH شکل
7-1-1 ا نتقال جرم
7-2 شبیه سازی حالت یکنواخت
7-3 تعریف مدل
7-3-1 معادله عمومی انتقال جرم سه بعدی
7-3-1-1 فرضیات جریان یکنواخت دو بعدی
7-3-1-2 شرایط مرزی
7-3-2 معادله عمومی ناویر- استوکس
7-3-2-1 شرایط مرزی
7-4 شبیه سازی مدل با سیال آب
7-5 شبیه سازی مدل با سیال خون
7-5-1 شبیه سازی با استفاده از مدل قانون توان
7-5-2 شبیه سازی با استفاده از مدل کوآرا
نتیجه گیری
پیشنهادات
منابع و مآخذ
شامل 159 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود پروژه جداسازی و استخراج در میکرو سلول Hشکل