Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Saghafian,Ahmad Reza Pishevar
محسن ثقفیان (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Seyed sina Mohseni rayeni
سیدسینا محسنی راینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
Separation of micron-scale particles and cells is a critical step for a variety of many biological and biomedical studies. Although in the past years, a variety of microfluidic-based techniques have been developed such as Inertial methods, Dielectrophoresis, Magnetophoresis and Acoustophoresis, there is clearly still a demand for a precise, fast, and biocompatible method for separation of microparticles and cells. in the present work, a two-step system has been proposed for particle separation. in the first step particles focused in a serpentine micro channel and in the next step separated by acoustic radiation force. design of geometry is done in SolidWorks and its analysis and simulation are done in three dimensions in Comsol Multiphysics. After studies, two channels (1-circular sinusoidal channel, 2-rectangular zigzag channel) were selected to focus the particles in the first stage, which are well compatible with the acoustic separation region. In this research, no slip boundary condition on walls and bounce condition for collision of the particle to walls are considered. In addition, it is assumed that the collision of the particle to each other is negligible and also particle motion has no effect on fluid flow. First, the laminar flow in the serpentine channel is simulated and the flow field (velocity and pressure) is obtained. Then, the acoustic velocity and pressure field is obtained by the first-order perturbation theory, which is a small perturbation in the Navier-Stokes equations. Finally, it is possible to calculate the force on the particles and obtain their path. In the first system, a sinusial serpentine channel is used to focus the particles. The inlet flow rate from 100 to 400 ?l / min was studied and it was determined that the flow rate of 290 ?l / min is the most suitable mode for pre-focusing the acoustic separation region. Particles with a size of 2 to 15 micrometers were also examined to determine the effect of particles size on their concentration. Finally, it was concluded that particles of 8 and 12 ?m could be focused at a flow rate of 290 ?l / min by a sinusoidal channel, and in the second stage separated by 2 MHz acoustic waves. In the second system, the concentration of 3, 5 and 10 ?m particles in a rectangular zigzag channel in the inlet flow rate of 350 ?l / min was investigated. The results show that the 5 and 10 ?m particles are well concentrated near the side walls of the channel and the 3 ?m particles are less concentrated. In this system, 3 and 10 ?m particles and also 5 and 10 ?m particles can be separated by 1 MHz waves. The results of this study show that by combining hydrodynamics and acoustophoresis, the throughput of the separation system can be significantly increased compared to single-stage methods. Keywords: Particle Separation, Inertial Focusing, Microfluidics, Acoustophoresis, Comsol
جداسازی ذرات و سلول ها یک مرحله مهم در اکثر مطالعات بیولوژیکی و زیست پزشکی می باشد. اگر چه در سال های اخیر روش های متنوعی بر پایه ابزارهای با مقیاس میکرون که با سیال کار می کنند، نظیر روش های اینرسی، روش دی الکتروفورسیس، روش مگنتوفورسیس و روش آکوستوفورسیس ارائه و توسعه داده شده اند اما همچنان نیاز به یک سیستم دقیق، سریع و سازگار با ذرات بیولوژیکی برای جداسازی میکروذرات و سلول ها حس می شود. در پژوهش حاضر یک روش دو مرحله ای برای جداسازی ذرات ارائه شده است. ذرات در مرحله اول توسط یک کانال با هندسه خاص متمرکز می شوند و در مرحله دوم توسط امواج آکوستیک از یکدیگر جدا می شوند. مراحل طراحی هندسه سیستم توسط نرم افزار سالیدورکز و تحلیل و شبیه سازی آن توسط نرم افزار کامسوال به صورت سه بعدی انجام می شود. پس از بررسی های انجام شده دو کانال (1-کانال سینوسی شکل دایره ای 2- کانال زیگزاگ مستطیلی) برای متمرکزسازی ذرات در مرحله اول که سازگاری مناسبی با ناحیه آکوستیک دارند، انتخاب شدند. در تمامی شبیه سازی ها شرط عدم لغزش بر روی دیواره ها و عدم تاثیرگذاری ذرات بر یکدیگر و همچنین بر سیال، در نظر گرفته شده است. در گام نخست جریان آرام داخل کانال متمرکزساز شبیه سازی می شود و میدان جریان ( سرعت و فشار ) بدست می آید. در گام بعد میدان سرعت و فشار آکوستیک به روش اختلالات جزئی مرتبه اول که اغتشاش کوچکی در معادلات ناویر استوکس می باشد، به دست می آید. در نهایت با مشخص بودن میدان حل در تمامی کانال، می توان نیروی وارده بر ذرات را محاسبه کرد و مسیر حرکت آن ها را بدست آورد. در سیستم پیشنهادی اول که متمرکزساز آن یک کانال سینوسی شکل دایره ای می باشد، مقدار دبی ورودی از 100 تا 400 میکرولیتر بر دقیقه مورد مطالعه قرار گرفت که مشخص شد دبی 290 میکرولیتر بر دقیقه مناسب ترین حالت برای پیش متمرکزسازی ناحیه آکوستیک می باشد. همچنین ذرات با اندازه 2 تا 15 میکرومتر برای مشخص شدن تاثیر اندازه ذرات بر متمرکز شدن آن ها مورد بررسی قرا گرفتند. در نهایت این نتیجه حاصل شد که ذرات 8 و 12 میکرومتری را می توان در دبی 290 میکرولیتر بر دقیقه توسط یک کانال سینوسی شکل متمرکز کرد و در مرحله دوم توسط امواج آکوستیک با فرکانس 2 مگاهرتز از یکدیگر جدا کرد. در سیستم پیشنهادی دوم ابتدا متمرکزسازی ذرات 3 ، 5 و 10 میکرومتری در یک کانال زیگزاگ مستطیلی با دبی ورودی 350 میکرولیتر بر دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که ذرات 5 و 10 میکرومتری به خوبی در نزدیکی دیواره های جانبی کانال متمرکز می شوند و ذرات 3 میکرومتری تمرکز کمتری دارند. توسط این سیستم می توان ذرات 3 و 10 میکرومتری و همچنین ذرات 5 و 10 میکرومتری را توسط امواج 1 مگاهرتزی از یکدیگر جدا کرد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد با ترکیب کردن دو روش هیدرودینامیک و آکوستوفورسیس می توان توان عملیاتی سیستم جداساز را به مقدار قابل توجهی نسبت به روش های تک مرحله ای افزایش داد. کلمات کلیدی: جداسازی ذرات، متمرکزسازی اینرسی، میکروفلوئیدیک، آکوستوفورسیس، کامسول

ارتقاء امنیت وب با وف بومی