Моделирование аналого-цифровых микрокапельных дозаторов для лаборатории на чипе

Brianne Costa 11/05/2015
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Микрожидкостные биочипы находят множество применений и заслуженно ценятся из-за их низкой стоимости, быстродействия и высокой эффективности. В статье «Проектирование и моделирование высокопроизводительного микрожидкостного капельного дозатора для использования в лаборатории на чипе» (“Design and Simulation of High-Throughput Microfluidic Droplet Dispenser for Lab-on-a-Chip Applications”), которая была представлена на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне, описан проект микрожидкостного биочипа с аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Чтобы понять механизм работы устройства и проверить его работу, инженеры использовали программное обеспечение COMSOL Multiphysics.

Актуальность использования аналого-цифровых преобразователей в микрожидкостных биочипах

Как и все устройства микросистемной техники, к которым относятся МЭМС и лаборатории-на-чипе, микрожидкостные биочипы крайне экономичны, потребляют мало энергии и могут работать с очень небольшим объемом анализируемой жидкой пробы. Кроме того, они относительно дешевы, обладают хорошим быстродействием и, в целом, довольно эффективны. Дополнительным их большим преимуществом является способность объединять в одном чипе такие функции, как предварительная подготовка образца, собственно детектирование/обнаружение и предварительный анализ полученных результатов. Микрожидкостные биочипы нашли широкое применение в различных технических устройствах, в том числе в печатающих головках струйных принтеров, в микросистемах дозирования лекарств, а также в устройствах для экспресс-анализа ДНК и клинических патологий.

Существует два вида микрожидкостных биочипов:

  1. аналоговые, которые обрабатывают непрерывный поток жидкости
  2. цифровые (Digital Microfluidic Biochips — DMFBs), в основе действия которых лежит технология электросмачивания на диэлектрике (electrowetting-on-dielectric — EWOD), позволяющая перемещать, соединять, разделять или иным образом управлять каплями жидкости.

Как правило, микрожидкостные пробы, например, крови или слюны, для диагностических тестов извлекаются из непрерывного потока. Данный подход сопряжен с двумя трудностями: во-первых, нельзя контролировать объем капли, а во-вторых, невозможно удалить лишнюю жидкость при возникновении избыточного давления в устройстве. Для устранения указанных трудностей в устройстве должен присутствовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (analog-to-digital converter — ADC), который позволит обрабатывать “аналоговые” микропотоки цифровым биочипом (DMFB).

АЦП являются, по сути, микрожидкостными дозаторами, которые могут отделять и распределять капли жидкости, необходимые для проведения тестов, из непрерывного потока или резервуара. Эти устройства незаменимы при интеграции аналоговых и цифровых микрожидкостных биочипов в аналого-цифровые системы. Удивительно, но интеграции АЦП в конструкцию микрожидкостных биочипов посвящено крайне мало исследований. Именно поэтому группа ученых из Университета Бриджпорт в штате Коннектикут решила спроектировать высокопроизводительный микрогидродинамический дозатор на основе аналого-цифрового микрожидкостного преобразователя для использования в лаборатории-на-чипе (lab-on-a-chip — LOC) и провести моделирование его работы.

Схема микрогидродинамического дозатора
Схема микрогидродинамического дозатора. Изображение опубликовано с разрешения C. Jin, X. Xiong, P. Patra, R. Zhu, J. Hu, University of Bridgeport, Bridgeport, Connecticut. Позаимствовано из представленной ими статьи на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне.

Проектирование и моделирование эффективного устройства

Исследовательская группа задалась целью понять механизм работы высокопроизводительного дозатора, а также проверить его работу в качестве интерфейса между аналоговым и цифровым микрожидкостными биочипами в LOC-устройстве.

Во-первых, они использовали интерфейс Ламинарный, двухфазный поток (Laminar, Two-Phase Flow) и метод функций уровня в среде COMSOL Multiphysics, чтобы смоделировать перемещение и разделение капелек в дозаторе в результате процесса электросмачивания. Основная задача состояла в том, чтобы лучше понять поведение микрожидкости в целом и проанализировать временные масштабы для следующего этапа моделирования. Исследователи смогли рассчитать силу, необходимую для перемещения капелек, оценить форму капель, а также определить требуемое для их перемещения значение напряжения.

Схема, показывающая перемещение капель микрожидкости в дозаторе.
Моделирование капель микрожидкости в дозаторе при их перемещении и расщеплении (делении). Изображение опубликовано с разрешения C. Jin, X. Xiong, P. Patra, R. Zhu, J. Hu, University of Bridgeport, Bridgeport, Connecticut из представленной ими статьи на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне.

Далее группа исследователей смоделировала дозатор, выступающий в роли интерфейса между аналоговым и дискретным потоками микрожидкости. Для уменьшения времени моделирования моделировались только два цифровых выходных порта. С помощью среды COMSOL Multiphysics группа смогла легко подобрать оптимальные параметры расчетной сетки для модели дозатора капель.

На этом рисунке показана расчетная сетка для модели цифрового дозатора
Расчетная сетка для цифрового дозатора капель. Изображение опубликовано с разрешения C. Jin, X. Xiong, P. Patra, R. Zhu, J. Hu, University of Bridgeport, Bridgeport, Connecticut из представленной ими статьи на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне.

Движение капель в выходных портах моделировалось в параллельном и последовательном режиме для анализа эффективности каждого способа.

На рисунке изображен дозатор капель, работающий в параллельном режиме
На рисунке изображен дозатор капель, работающий в последовательном режиме

Моделирование параллельного (слева) и последовательного (справа) режимов работы дозатора капель позволяет исследователям анализировать характеристики устройства. Изображение опубликовано с разрешения C. Jin, X. Xiong, P. Patra, R. Zhu, J. Hu, University of Bridgeport, Bridgeport, Connecticut из представленной ими статьи на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне.

После получения результатов моделирования исследователи проверили работу дозатора и пришли к выводу, что оба режима его работы (последовательный и параллельный) одинаково эффективны и подходят для интеграции аналоговых и цифровых микрогидродинамических компонентов на единой платформе лаборатория-на-чипе. Будем надеяться, что данное исследование поспособствует дальнейшему совершенствованию подобных устройств, развитию микрогидродинамики, а также повысит качество клинической диагностики и других областей, где применяются такие устройства.

Дополнительные источники информации

Чтобы узнать больше о цифровом дозаторе, скачайте статью и презентацию, которые были представлены на конференции сообщества COMSOL 2014 в Бостоне: “Проектирование и моделирование высокопроизводительного микрожидкостного капельного дозатора для использования в лаборатории на чипе (Design and Simulation of High-Throughput Microfluidic Droplet Dispenser for Lab-on-a-Chip Applications)“.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта