توصيفگر ها :
انتقال مايعات , ابزار پين تماسي , انرژي سطح , زاويه تماس , مويينگي , توالي يابي ژن
چكيده فارسي :
جابه‌جايي مايعات نقشي اساسي در آزمايشگاه‌هاي علوم زيستي ايفا مي‌كند. در آزمايش‌هايي مانند تعيين توالي ژن، تبلور پروتئين، آزمايش آنتي‌بادي و غربال‌گري دارو، نمونه‌هاي زيستي مايع اغلب بايد بين ظروف با اندازه‌هاي مختلف منتقل شوند و يا روي بسترهايي با انواع مختلف توزيع شوند. حجم نمونه معمولاً كوچك است، در سطح ميكرو يا نانوليتر و تعداد نمونه‌هاي انتقال‌يافته در هنگام بررسي شرايط تركيبي وسيع مي‌تواند بسيار زياد باشد. انتقال مايعات براي افزودن معرف‌ها، رقيق‌سازي نمونه‌ها، مخلوط‌كردن محلول‌ها، استخراج نمونه‌ها يا انتقال نمونه‌ها به سيستم‌هاي اندازه‌گيري تحليلي مورد نياز است. تحت اين شرايط، جابه‌جايي مايعات با دست خسته كننده، زمان‌بر و غير عملي است. در نتيجه، تقاضاي زيادي براي روش‌هاي خودكار جابه‌جايي مايعات مانند سيستم‌هاي روباتيك يكپارچه حسگر وجود دارد. در اين پژوهش، فرايند انتقال مايعات آزمايشگاهي به وسيله ابزار پين (كه به عنوان يك ابزار توزيع تماسي عمل مي‌كند) و با استفاده از نرم‌افزار كامسول شبيه‌سازي شده است. در اين تحقيق براي حل معادلات جريان دوفازي از روش ميدان فاز و براي مدل‌سازي حركت رفت و برگشتي پين از ديناميك مش كمك گرفته شده است.
هدف اصلي اين پژوهش، بررسي عددي پارامترهاي مؤثر بر حجم قطره استخراج شده و در مرحله بعد، قراردادن نمونه روي سطح مي‌باشد. در اين فرايند به منظور بررسي سرعت خارج شدن پين از مخزن نمونه، قطر پين، چگالي، ويسكوزيته و كشش سطحي مايع از اعداد بدون بعد رينولدز و مويينگي استفاده شد و مدل‌سازي دوبعدي متقارن محوري در 4 عدد رينولدز و 6 عدد مويينگي متفاوت انجام گرفت. نتايج نشان‌دهنده نسبت مستقيم افزايش حجم قطره با عدد رينولدز و نسبت عكس با عدد مويينگي است. براي تحليل انرژي سطح پين و تأثير آن بر حجم قطره، زاويه تماس‌هاي متفاوت براي سطح پين با مايع، مورد بررسي قرار گرفت. كاهش زاويه تماس از 60 تا 25 درجه، باعث افزايش 5 برابري حجم قطره شكل گرفته در نوك پين مي‌شود. همچنين براي بررسي تأثير حركت شتاب‌دار پين در لحظه جدايش بر حجم قطره، حركت پين با شتاب‌هاي مختلف مدل‌سازي شد و براي بررسي تأثير شيار در نوك پين، مدل‌سازي سه‌بعدي براي پين با حجم شكاف 10 و 20 نانوليتري انجام گرفت. با مقايسه پارامترهاي مؤثر بر حجم قطره مشخص شد كه شتاب حركت پين مي‌تواند بيشترين تأثير را بر حجم قطره برداشته شده از مخزن داشته باشد به‌طوري‌كه با افزايش شتاب از 1/0 تا 100 متر بر مجذور ثانيه، حجم قطرات بصورت پيوسته افزايش مييابد. همچنين افزايش 10 نانوليتري حجم شكاف در نوك پين باعث افزايش 2 برابري حجم قطره استخراج شده مي‌شود. در نهايت عوامل مؤثر بر حجم نمونه قرار داده شده روي سطح بستر مورد مطالعه قرار گرفت و پارامترهاي سرعت حركت پين براي تحويل نمونه، خواص سطح گيرنده (آب‌دوست و آب‌گريز بودن صفحه) و شياردار بودن پين، با ايجاد يك مدل مناسب بررسي شد. نتايج نشان داد كه آب‌دوست كردن سطح بستر و كاهش سرعت پين در مرحله تحويل نمونه مي‌تواند باعث افزايش حجم نمونه تحويلي شود. مقايسه پين جامد و شكاف‌دار در عدد رينولدز يكسان نشان داد كه ميانگين حجم نمونه تحويلي از 70 درصد حجم اوليه براي پين جامد به 45 درصد براي پين شكاف‌دار كاهش يافت. تا حد زيادي، برداشت و توزيع تمركز اصلي در اين فرايند است؛ زيرا هسته اصلي اكثر آزمايش‌ها در علوم زيستي مي‌باشد؛ بنابراين، در اين مطالعه به بررسي راهكارها و عواملي كه باعث افزايش دقت و صحت در توزيع نمونه‌ها در روي سطح مي‌شود پرداخته شده است.
چكيده انگليسي :
Liquid handling plays a pivotal role in life science laboratories. In experiments such as gene sequencing, protein crystallization, antibody testing, and drug screening, liquid biosamples frequently must be transferred between containers of varying sizes and/or dispensed onto substrates of varying types. The sample volumes are usually small, at the micro- or nanoliter level, and the number of transferred samples can be huge when investigating large-scope combinatorial conditions. Liquid handling is required for adding reagents, diluting samples, mixing solutions, extracting samples, or transferring samples to analytical measurement systems. Under these conditions, liquid handling by hand is tedious, time-consuming, and impractical. Consequently, there is a strong demand for automated liquid-handling methods such as sensor-integrated robotic systems. In this research, the transfer process of laboratory liquids has been simulated by means of a pin tool (which acts as a contact distribution tool) and by using Comsol software. In this research, the phase field method was used to solve the two-phase flow equations, and mesh dynamics was used to model the reciprocating movement of the pin.
The main goal of this research is to numerically investigate the effective parameters on the extracted droplet volume and in the next step, to place the sample on the surface. In this process, dimensionless Reynolds numbers and capillarity were used in order to check the speed of the pin exiting the sample tank, pin diameter, density, viscosity, and surface tension of the liquid, and axially symmetric two-dimensional modeling was performed in 4 Reynolds numbers and 6 different capillarity numbers. The results show the direct ratio of the drop volume increase with the Reynolds number and the photo ratio with the capillarity number. To analyze the energy of the pin surface and its effect on the drop volume, different contact angles for the pin surface with the liquid were investigated. Reducing the contact angle from 60 to 25 degrees increases the volume of the droplet formed at the tip of the pin by 5 times. Also, to investigate the effect of the accelerated movement of the pin at the moment of separation on the volume of the drop, the movement of the pin was modeled with different accelerations, and to investigate the effect of the groove in the tip of the pin, three-dimensional modeling was done for the pin with a gap volume of 10 and 20 nanoliters. By comparing the effective parameters on the drop volume, it was found that the acceleration of the pin movement can have the greatest effect on the volume of the drop removed from the tank, so that with the increase of the acceleration from 0.1 to 100 m/s2, the volume of the drops increases continuously. Also, the increase of 10 nanoliters in the volume of the gap at the tip of the pin causes a 2-fold increase in the volume of the extracted droplet. Finally, the influencing factors on the volume of the sample placed on the surface of the substrate were studied and the parameters of the pin movement speed for sample delivery, the properties of the receiver surface (hydrophilicity and hydrophobicity of the plate) and the groovedness of the pin were investigated by creating a suitable model. The results showed that hydrophilicizing the bed surface and reducing the speed of the pin in the sample delivery phase can increase the delivered sample volume. Comparison of solid and slotted pin at the same Reynolds number showed that the average delivered sample volume decreased from 70% of initial volume for solid pin to 45% for slotted pin. To a large extent, harvesting and distribution is the main focus in this process; Because it is the main core of most experiments in biological sciences; Therefore, in this study, the solutions and factors that increase the accuracy and precision in the distribution of samples on the surface have been investigated.
