Nghiên cứu mô phỏng số thiết bị microfluidic tập trung DNA

Nghiên cứu mô phỏng số thiết bị microfluidic tập trung DNA Nghiên cứu mô phỏng số thiết bị microfluidic tập trung DNA Nghiên cứu mô phỏng số thiết bị microfluidic tập trung DNA luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu mô số thiết bị microfluidic tập trung DNA NGUYỄN VIỆT BẮC bacnv.hust@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Văn Sáng Viện: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 5/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Bắc Đề tài luận văn: Nghiên cứu mô số thiết bị microfluidic tập trung DNA Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC19001 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 25/ 06/ 2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa mẫu luận văn - Chỉnh sửa lỗi tả - Lý giải thêm điều kiện biên dải giá trị khảo sát - Bổ sung danh mục báo công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Mẫu 1c Kính gửi: Viện Cơ khí động lực PHIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI Họ tên người hướng dẫn chính: Phạm Văn Sáng Học vị Tiến Sĩ Học hàm Cơ quan: Viện Cơ khí động lực Họ tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị Học hàm Cơ quan: Email: sang.phamvan@hust.edu.vn DĐ: (+84) 966 633 683 Nội dung: Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực a Tên đề tài: Nghiên cứu mô số thiết bị microfluidic tập trung DNA b Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu ứng dụng màng trao đổi ion nhằm tập trung gia tăng nồng độ DNA vị trí định khơng gian dịng chảy c Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: - Xây dựng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả chuyển động hạt mang điện tích dung dịch điện li tác dụng điện trường dòng chảy dung dịch - Giải số hệ phương trình vi phân chuyển động hạt tích điện với điều kiện biên khác - Ứng dụng giải số để nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng kích thước màng tích điện lên hiệu tập trung DNA thiết bị microfluidic - Đề xuất thiết kế nâng cao hiệu suất tập trung DNA Đề tài 2: Chuyên ngành: a Tên đề tài: d Mục tiêu đề tài (các kết cần đạt được): e Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn cao học – Tiến sĩ Phạm Văn Sáng, người tận tình đưa góp ý q giá động viên đầy nhiệt huyết cho suốt q trình thực luận văn Tơi cảm thấy thật may mắn, tự hào, hãnh diện làm việc với thầy suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Viện Cơ khí động lực tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Thạc sĩ Tơi xin chúc thầy cơng tác tốt, có thật nhiều sức khỏe, có thật nhiều đề tài nghiên cứu khoa học để hướng dẫn cho sinh viên Viện Cơ khí động lực Tóm tắt nội dung luận văn Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào ảnh hưởng dòng chảy electroosmosis (EO), vận tốc electrophoresis (EP), tượng phân cực ion (Ion Concentration Polarization - ICP), kích thước màng lựa chọn ion lên khả phân lập Deoxyribonucleic acid (DNA) Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình vận chuyển ion DNA hệ điện hóa Q trình vận chuyển mơ tả hệ phương trình vi phân phi tuyến Poisson-Nernst-Planck-Navier-Stokes Các kết thu khẳng định khả phân lập DNA thiết bị microfluidic, đồng thời ảnh hưởng chiều dài kênh dẫn màng lựa chọn ion tới vị trí phân lập DNA Từ tác giả đề xuất mơ hình thiết bị microfluidic có hiệu cao việc phân lập DNA Bằng việc giải hệ phương trình vi phân phi tuyến Poisson-Nernst-Planck Navier-Stokes, tác giả phân tích tượng tập trung phân tử sinh học DNA hệ điện hóa, kênh dẫn microfluidic chứa dung dịch điện li Vai trò quan trọng điện trường kích thước màng lựa chọn ion lên hình thành tượng phân cực ion, dịng chảy electroosmosis, vận tốc electrophoresis Các tượng ảnh hưởng trực tiếp tới trình tập trung phân tử DNA kênh dẫn microfluidic Các kết mô rằng, việc tăng kích thước màng lựa chọn ion, nồng độ phân tử DNA tập trung với giá trị gấp lần giá trị ban đầu Hơn nữa, vị trí tập trung DNA chịu ảnh hưởng điện trường điện tích phân tử DNA Như vậy, kết nghiên cứu đáp ứng mục tiêu đề ra, gia tăng nồng độ phân tử DNA dung dịch điện li cách phối hợp sử dụng điện trường màng lựa chọn ion Trong tương lai, tác giả tập trung phát triển mơ hình đa kênh dẫn microfluidic kết hợp sử dụng hệ ống dẫn nano thay cho màng lựa chọn ion để tăng cường khả phân lập DNA nói riêng phân tử/ tế bào sinh học nói chung HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Tổng quan Mục tiêu đề tài Bố cục luận văn CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN CHO CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC HẠT ĐIỆN TÍCH TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN LI 1.1 Giới thiệu 1.2 Hệ phương trình mô tả chuyển động ion dung dịch điện li 1.3 Hiện tượng điện động lực học 1.3.1 Lớp điện tích kép 1.3.2 Chuyển động electroosmosis- U EO 1.3.3 Chuyển động electrophoresis - U EP 1.3.4 Hiện tượng phân cực ion 1.4 Thiệt lập hệ phương trình khơng thứ ngun 1.5 Mơ hình thiết bị microfluidic 10 1.6 Điều kiện biên 10 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH POISSON – NERNST – PLANCK – NAVIER - STOKES 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Phương pháp thể tích hữu hạn 13 2.3 Phương pháp Newton-Raphson 13 2.4 Rời rạc hóa hệ phương trình Poisson - Nernst – Planck phương trình vận chuyển DNA 15 2.5 Rời rạc hóa hệ phương trình Navier-Stokes 17 2.6 Sơ đồ thuật toán 18 2.7 Chia lưới tính tốn 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 19 3.1 Kiểm nghiệm giải hệ phương trình vi phân phi tuyến Poisson – Nernst – Planck – Navier - Stokes 19 3.2 3.1.1 Mô vật liệu mang điện dung dịch điện li 19 3.1.2 Mô vận chuyển ion kênh dẫn nano 20 Thông số thiết bị microfluidic tập trung phân tử sinh học DNA 21 3.3 Sự tập trung DNA nhờ tượng phân cực ion 22 3.4 Ảnh hưởng kích thước màng lựa chọn ion tới tập trung DNA 24 3.5 Ảnh hưởng điện tích DNA tới tập trung kênh dẫn 29 CHƯƠNG KẾT LUẬN 30 4.1 Kết luận 30 4.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 PHỤ LỤC 33 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Thể tích bảo tồn 𝑉𝑉 Hình 2.2 Minh họa lớp điện tích kép hình thành bề mặt vật liệu mang điện tích âm tương tác với dung dịch điện li Hình 2.3 Phân tử nước bao quanh ion dung dịch điện li Hình 2.4 Minh họa vận tốc electroosmosis kênh dẫn microfluidic Hình 2.5 Hệ lực tác động lên phân tố thể tích thiết bị microfluidic Hình 2.6 Mơ hình phân tử sinh học mang điện tích dung dịch điện li Hình 2.7 Phác họa mơ hình thiết bị microfluidic 10 Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn giải hệ phương trình vi phân phi tuyến Poisson-NernstPlanck sử dụng phương pháp Newton-Raphson 14 Hình 3.2 Mặt phân cách hai phân tố lưới không trực giao 15 Hình 3.3 Sơ đồ thuật tốn giải số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến PNPNS phương trình vận chuyển DNA 17 Hình 3.4 Phân tố lưới miền tính tốn 18 Hình 4.1 Mơ hình vật liệu có điện tích bề mặt tương tác với dung dịch điện li 19 Hình 4.2 Phác họa mơ hình vận chuyển ion qua kênh dẫn nano 20 30T Hình 4.3 Điện áp 𝜙𝜙 dọc theo kênh dẫn microfluidic 22 Hình 4.4 Sự phân cực ion kênh dẫn microfluidic 𝑡𝑡 = 50 22 Hình 4.5 Sự mở rộng vùng có nồng độ ion thấp tăng điện áp 𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙 23 Hình 4.6 Nồng độ ion 𝑁𝑁𝑁𝑁 + 𝐶𝐶𝐶𝐶 − dọc theo kênh dẫn microfluidic 24 Hình 4.7 Nồng độ ion 𝑁𝑁𝑁𝑁 + 𝐶𝐶𝑙𝑙 − lân cận màng lựa chọn ion 24 Hình 4.8 Điện áp 𝜙𝜙 lân cận bề mặt màng lựa chon ion 25 Hình 4.9 Đường dòng kênh dẫn microfluidic 𝑡𝑡 = 50 25 Hình 4.10 Hình thành xốy bề mặt màng lựa chọn ion 26 Hình 4.11 (a) Kết tính tốn giải tích khơng phụ thuộc thời gian cho đường dòng gần màng lựa chọn ion [18] (b) Ảnh chụp vị trí phân tử mẫu gần màng lựa chọn ion điện áp khác [19] (c) Các cặp xốy hình thành vùng có nồng độ ion thấp kênh dẫn nano [20] 27 Hình 4.12 Vị trí tập trung DNA kênh dẫn microfluidic ứng với trường hợp sử dụng màng lựa chọn ion có kích thước khác 27 Hình 4.13 Phân bố DNA dọc theo kênh dẫn microfluidic thời điểm 𝑡𝑡 = 50 28 Hình 4.14 Vị trí tập trung DNA theo thời gian với 𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙 = 46 𝐿𝐿𝐿𝐿3 = 28 Hình 4.15 Phân bố DNA theo thời gian [21] 28 Hình 4.16 Sự tập trung loại DNA với điện tích khác bên kênh dẫn microfluidic với 𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙𝜙 = 46 𝐿𝐿𝐿𝐿3 = 29 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Điều kiện biên 11 Bảng 4.1 Kết mơ kết giải tích điện áp bề mặt vật liệu mang điện tích 20 Bảng 4.2 Kết mô kết giải tích tính tốn dịng điện chạy qua kênh dẫn nano 21 DANH MỤC KÍ HIỆU 𝐶𝐶 Nồng độ phân tử ion 𝐶𝐶0 Nồng độ ion tham chiếu 𝐷𝐷0 Hệ số khuếch tán trung bình 𝐄𝐄 Điện trường 𝐅𝐅𝑖𝑖 Thơng lượng ion 𝑘𝑘𝐵𝐵 Hằng số Boltzmann 𝑁𝑁𝑁𝑁 Hằng số Avogadro 𝑛𝑛𝑓𝑓 Số mặt phân tố thể tích 𝑃𝑃 Áp suất 𝑃𝑃𝑃𝑃 Số Péclet 𝑇𝑇0 Thời gian tham chiếu 𝑆𝑆𝑆𝑆 Số Schmidt 𝑈𝑈0 Vận tốc tham chiếu 𝐷𝐷 Hệ số khuếch tán 𝑒𝑒 Điện tích tự 𝐹𝐹 Hằng số Faraday 𝐅𝐅𝑒𝑒 Lực điện khối 𝐿𝐿0 Chiều dài đặc trưng 𝑛𝑛 Số ion hệ 𝑅𝑅𝑅𝑅 Số Reynolds 𝑃𝑃0 Áp suất tham chiếu 𝑡𝑡 Thời gian 𝑇𝑇 Nhiệt độ 𝐔𝐔 Vận tốc 𝐔𝐔𝐸𝐸𝐸𝐸 Vận tốc electroosmosis (𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)𝑚𝑚−3 (𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)𝑚𝑚−3 𝑚𝑚2 𝑠𝑠 −1 1.602 × 10−19 96485.3415 1.381 × 10 − 23 𝑚𝑚2 𝑠𝑠 −1 𝐶𝐶 𝑉𝑉𝑚𝑚−1 𝑠𝑠𝑠𝑠(𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙 −1 ) (𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)𝑚𝑚−2 𝑠𝑠 −1 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚−2 𝑠𝑠 −2 𝐽𝐽𝐾𝐾 −1 𝑚𝑚 6.02214076 × 10²³ 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙 −1 − − − 𝑁𝑁𝑚𝑚−2 𝑁𝑁𝑚𝑚−2 − 𝑠𝑠 𝑠𝑠 𝐾𝐾 − 𝑚𝑚𝑠𝑠 −1 𝑚𝑚𝑠𝑠 −1 𝑚𝑚𝑠𝑠 −1 kênh dẫn microfluidic gây màng lựa chọn ion [11] Trong Hình 4.4a, ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ di chuyển qua màng lựa chọn ion tác dụng điện trường 𝐄𝐄�𝑦𝑦 dẫn tới nồng độ 𝑁𝑁𝑎𝑎+ giảm mạnh Đồng thời phân bố ion dung dịch tuận theo định luận bảo tồn điện tích, nồng độ ion 𝐶𝐶𝑙𝑙 − giảm tương ứng với giảm nồng độ ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ (Hình 4.4b) Chính điều hình thành vùng có nồng độ ion thấp hai màng lựa chọn ion bên kênh dẫn microfluidic Sự phát triển vùng có nồng độ ion thấp phụ thuộc vào cường độ điện trường 𝐄𝐄� gây điện áp 𝜙𝜙� đặt hai đầu kênh dẫn microfluidic Điện áp 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 cao vùng có nồng độ ion thấp mở rộng hai phía điện cực (Hình 4.5) Hình 3.5 Sự mở rộng vùng có nồng độ ion thấp tăng điện áp 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Khi tăng kích thước màng lựa chọn ion, vùng có nồng độ ion thấp mở rộng tương ứng Nồng độ ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ 𝐶𝐶𝑙𝑙 − giảm dần từ điện cực dương cho đền vị trí bắt đầu màng lựa chọn ion dương, sau tăng dần giá trị điện cực âm (Hình 4.6) 23 Hình 3.6 Nồng độ ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ 𝐶𝐶𝑙𝑙− dọc theo kênh dẫn microfluidic 3.4 Ảnh hưởng kích thước màng lựa chọn ion tới tập trung DNA Do màng lựa chọn ion mang điện tích âm nên lân cận màng hình thành lớp điện tích kép EDL (Hình 4.7) [9] Kích thước màng lựa chọn ion dài lớp điện tích khuếch tán dày, dẫn tới tổng điện tích hệ lớn, dịng chảy EO mạnh, tác động 𝐔𝐔𝐸𝐸𝐸𝐸 lên DNA rõ nét Điện gần màng lựa chọn ion 𝜙𝜙� tăng nhanh (Hình 4.8), đồng thời sinh điện trường 𝐄𝐄�𝑦𝑦 vng góc với bề mặt màng, đẩy phân tử DNA vào bên kênh dẫn microfluidic Điện áp 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 cao cường độ điện trường 𝐄𝐄�𝑦𝑦 � 𝜙𝜙 � 𝜕𝜕 lớn 𝐄𝐄�𝑦𝑦 = − � 𝜕𝜕𝑦𝑦 Hình 3.7 Nồng độ ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ 𝐶𝐶𝑙𝑙− lân cận màng lựa chọn ion 24 Hình 3.8 Điện áp 𝜙𝜙� lân cận bề mặt màng lựa chon ion Dịng chảy EO hình thành dọc theo kênh dẫn thể Hình 4.9 Do ion 𝑁𝑁𝑎𝑎+ có khả di chuyển qua màng lựa chọn ion dương, chúng kéo theo phân tử khác hình thành nên cặp xốy phía cực dương màng (Hình 4.10a-b) Hình 3.9 Đường dịng kênh dẫn microfluidic 𝑡𝑡̃ = 50 25 Hình 3.10 Hình thành xoáy bề mặt màng lựa chọn ion Kim đồng nghiệp tiến hành thí nghiệm phức tạp, có độ xác cao tượng điện hóa xảy bên hệ microfluidic qua ghi lại hình ảnh hình thành cặp xốy lân cận màng lựa chọn ion [17] Các kết mô tương đồng với kết thí nghiệm Kim đồng nghiệp (Hình 4.11) Từ khẳng định khả mơ tượng vật lí hệ điện hóa giải số xây dựng nghiên cứu 26 Hình 3.11 (a) Kết tính tốn giải tích khơng phụ thuộc thời gian cho đường dòng gần màng lựa chọn ion [18] (b) Ảnh chụp vị trí phân tử mẫu gần màng lựa chọn ion điện áp khác [19] (c) Các cặp xốy hình thành vùng có nồng độ ion thấp kênh dẫn nano [20] Các phân tử DNA mang điện tích âm, chúng có thêm vận tốc EP hướng từ phía cực âm sang cực dương ảnh hưởng lực điện trường 𝐄𝐄𝑥𝑥 Do đó, vị trí tập trung DNA bên kênh dẫn điều khiển việc thay đổi chiều dài màng lựa chọn ion Kích thước màng lớn vị trí tập trung DNA gần phía cực dương màng (Hình 4.12) Hình 3.12 Vị trí tập trung DNA kênh dẫn microfluidic ứng với trường hợp sử dụng màng lựa chọn ion có kích thước khác 27 Hình 3.13 Phân bố DNA dọc theo kênh dẫn microfluidic thời điểm 𝑡𝑡̃ = 50 Hình 3.14 Vị trí tập trung DNA theo thời gian với 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 46 𝐿𝐿�𝑚𝑚3 = Hình 3.15 Phân bố DNA theo thời gian [21] 28 Tại thời điểm 𝑡𝑡̃ = 50, nồng độ DNA tập trung cao gấp lần nồng độ ban đầu (1𝑚𝑚𝑚𝑚) ứng với trường hợp 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 46 (Hình 4.13) Từ kết nhận thấy với cường độ điện trường 𝐄𝐄𝑥𝑥 , áp đặt điện áp cao sử dụng màng lựa chọn ion có kích thước lớn tập trung DNA với nồng độ cao Trong trường hợp 3, vị trí tập trung DNA chuyển động dần phía cực dương hệ chịu tác dụng 𝐔𝐔𝐸𝐸𝐸𝐸 , đồng thời giảm dần giá trị nồng độ DNA (Hình 4.14) Các kết tương đồng với thí nghiệm tiến hành Song đồng nghiệp [21] (Hình 4.15) 3.5 Ảnh hưởng điện tích DNA tới tập trung kênh dẫn Hình 3.16 Sự tập trung loại DNA với điện tích khác bên kênh dẫn microfluidic với 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 46 𝐿𝐿�𝑚𝑚3 = Vận tốc 𝐔𝐔𝐸𝐸𝐸𝐸 phụ thuộc vào điện tích phân tử sinh học theo công thức (2.28), ảnh hưởng trực tiếp tới chuyển động DNA kênh dẫn microfluidic Phân tử DNA có kích thước lớn có điện tích bề mặt vận tốc 𝐔𝐔𝐸𝐸𝐸𝐸 lớn [9] Trong phần này, loại DNA với điện tích 𝑍𝑍𝐷𝐷𝑁𝑁𝑁𝑁 = 50, 𝑍𝑍𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 = 100, 𝑍𝑍𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 = 200 mô với thông số 𝜙𝜙�𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 46 𝐿𝐿�𝑚𝑚3 = (Hình 4.16) 29 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, việc giải hệ phương trình vi phân phi tuyến Poisson-Nernst-Planck Navier-Stokes, tác giả phân tích tượng tập trung phân tử sinh học DNA hệ điện hóa, kênh dẫn microfluidic chứa dung dịch điện li Vai trò quan trọng điện trường kích thước màng lựa chọn ion lên hình thành tượng phân cực ion, dòng chảy electroosmosis, vận tốc electrophoresis Các tượng ảnh hưởng trực tiếp tới trình tập trung phân tử DNA kênh dẫn microfluidic, kết thu tương đồng với thí nghiệm cơng bố Bằng việc tăng kích thước màng lựa chọn ion, nồng độ phân tử DNA tập trung với giá trị gấp lần giá trị ban đầu Hơn nữa, vị trí tập trung DNA chịu ảnh hưởng điện trường điện tích phân tử DNA Các kết nghiên cứu chấp nhận đăng Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ [22] Như vậy, kết nghiên cứu đáp ứng mục tiêu đề ra, gia tăng nồng độ phân tử DNA dung dịch điện li cách phối hợp sử dụng điện trường màng lựa chọn ion; đóng vai trị quan trọng việc tối ưu hóa trình thiết kế thiết bị tập trung DNA 4.2 Hướng phát triển luận văn tương lai Tác giả tiếp tục phát triển mơ hình đa kênh dẫn microfluidic kết hợp sử dụng hệ ống dẫn nano thay cho màng lựa chọn ion để gia tăng điều khiển tập trung nồng độ phân tử DNA nói riêng phân tử/ tế bào sinh học nói chung Sử dụng kết hợp phương pháp Lagrangian phương pháp biên nhúng để mơ hình hóa phân tử sinh học, biến dạng chuyển động chúng hệ điện hóa 30 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] TÀI LIỆU THAM KHẢO Jongmin Kim, Sarah Sahloul, Ajymurat Orozaliev, Vu Q Do, Van Sang Pham, Diogo Martins, Xi Wei, Rastislav Levicky, and Yong-Ak Song, “Microfluidic Electrokinetic Preconcentration Chips: Enhancing the detection of nucleic acids and exosomes,” IEEE Nanotechnol Mag., vol 14, no 2, pp 18–34, Apr 2020 Y Liu, H Wang, J Huang, J Yang, B Liu, and P Yang, “Microchip-based ELISA strategy for the detection of low-level disease biomarker in serum,” Anal Chim Acta, vol 650, no 1, pp 77–82, 2009 M Toner and D Irimia, “Blood-on-a-Chip,” Annu Rev Biomed Eng., vol 7, no 1, pp 77–103, 2005 J A Fuhrman, D E Comeau, Å Hagström, and A M Chan, “Extraction from Natural Planktonic Microorganisms of DNA Suitable for Molecular Biological Studies,” Appl Environ Microbiol., vol 54, no 6, pp 1426– 1429, 1988 M T Suzuki, C M Preston, O Béjà, J R De La Torre, G F Steward, and E F DeLong, “Phylogenetic screening of ribosomal RNA gene-containing clones in Bacterial Artificial Chromosome (BAC) libraries from different depths in Monterey Bay,” Microb Ecol., vol 48, no 4, pp 473–488, 2004 P Van Sang, “An Immersed Boundary Method for Simulation of Moving Object in Fluid Flow,” J Sci Technol., vol 127, no 1, pp 40–44, 2018 Q V Do, V B Nguyen, P K Nguyen, and V S Pham, “An Immersed Boundary Method OpenFOAM Solver for Structure – Two-phase Flow Interaction,” J Sci Technol., vol 138, pp 028–032, 2019 V B Nguyen, Q V Do, and V S Pham, “An OpenFOAM solver for multiphase and turbulent flow,” Phys Fluids, vol 32, no 4, p 043303, 2020 B J Kirby, Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices Cambridge, 2010 Y C Wang, A L Stevens, and J Han, “Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter,” Anal Chem., vol 77, no 14, pp 4293–4299, 2005 D Martins, X Wei, R Levicky, and Y A Song, “Integration of Multiplexed Microfluidic Electrokinetic Concentrators with a Morpholino Microarray via Reversible Surface Bonding for Enhanced DNA Hybridization,” Anal Chem., vol 88, no 7, pp 3539–3547, 2016 V S Pham, “Nonlinear Electrokinetic Flow Near Permselective Membrane,” National University of Singapore, 2012 F Moukalled, L Mangani, and M Darwish, The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics - An Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab, vol 113 2016 C Geuzaine and J F Remacle, “Gmsh: A 3-D finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities,” Int J Numer Methods Eng., vol 79, no 11, pp 1309–1331, 2009 S R Mathur and J Y Murthy, “A multigrid method for the Poisson– 31 [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] Nernst–Planck equations,” Int J Heat Mass Transf., vol 52, no 17–18, pp 4031–4039, 2009 H Daiguji, P Yang, and A Majumdar, “Ion Transport in Nanofluidic Channels,” Nano Lett., vol 4, no 1, pp 137–142, 2004 S J Kim, Y A Song, and J Han, “Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications,” Chem Soc Rev., vol 39, no 3, pp 912–922, 2010 I Rubinstein and B Zaltzman, “Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane,” Phys Rev E - Stat Physics, Plasmas, Fluids, Relat Interdiscip Top., vol 62, no 2, pp 2238–2251, 2000 S M Rubinstein, G Manukyan, A Staicu, I Rubinstein, B Zaltzman, R G H Lammertink, F Mugele, and M Wessling, “Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability,” Phys Rev Lett., vol 101, no 23, pp 1–4, 2008 S J Kim, Y C Wang, J H Lee, H Jang, and J Han, “Concentration polarization and nonlinear electrokinetic flow near a nanofluidic channel,” Am Phys Soc., vol 99, no 4, p 044501, 2007 H Song, Y Wang, C Garson, and Kapil Pant, “Concurrent DNA preconcentration and separation in bipolar electrode-based microfluidic device,” Anal Methods, vol 7, no 4, pp 1273–1279, Jul 2015 V B Nguyen and V S Pham, “Study and modeling DNA-preconcentration microfluidic device,” J Sci Technol., vol 143, pp 001-006, 2020 32 PHỤ LỤC A1 Các báo công bố [1] V B Nguyen and V S Pham, “Study and modeling DNA-preconcentration microfluidic device,” J Sci Technol., vol 143, pp 001-006, 2020 [2] Q V Do, V B Nguyen, P K Nguyen, and V S Pham, “An Immersed Boundary Method OpenFOAM Solver for Structure – Two-phase Flow Interaction,” J Sci Technol., vol 138, pp 028–032, 2019 [3] V B Nguyen, Q V Do, and V S Pham, “An OpenFOAM solver for multiphase and turbulent flow,” Phys Fluids, vol 32, no 4, p 043303, 2020 [4] Viet Bac Nguyen and Van Sang Pham, Develop immersed boundary method OpenFOAM solver for multiphase and turbulent flow, The 30th International Symposium on Transport Phenomena conference, 2019 [5] Pham Van Sang and Nguyen Viet Bac "A Study on Ions Transports Through Charged Nanopores" International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems - ICFMAS2018, Hanoi, Vietnam, 2018 A2 Tham số điều kiện biên // Khai báo thông tin tên lưới, tên biên, thuộc tính vật lí biên Grid { filename = StudyCases/JST2020/mesh/flatMem_5_2_2.msh; inlet = [inlet]; outlet = [outlet]; inlet dummy = [inlet dummy]; outlet dummy = [outlet dummy]; membrane = [membrane1,membrane2]; dummy]; electrode = [electrode]; membrane dummy = [membrane electrode dummy = [electrode dummy]; symmetry = [symmetry]; symmetry dummy = [symmetry dummy]; wall = [wallLeft,wallRight]; wall dummy = [wallRight dummy]; empty = [empty]; periodic = [periodic]; periodic shadow = [periodicshadow]; } // Khai báo giá trị đại lượng không thứ nguyên Parameter { faraday constant = 96485.3415; length scale = 20E-6;// in meter concentration scale= 10;//mol/m3 velocity scale = 1;//m/sec temp = 300.0; wall surface charge = 0.0065;//C/m2 average diffusivity = 1E-9; 33 charge number = 1; stokes critical = -10; dynamic viscosity=8.9E-4;//pas.sec g = [0.0,0.0,-9.8]; } // Khai báo giá trị khởi tạo, thuộc tính biến Variable_1 { name = Na+; type = ion; unit = mol/m3; diffusivity = 1.33E-9; chargenumber = 1; initial value = 1; boundary_1(name = inlet; value = 1;type = fixedvalue;); boundary_2(name = outlet; value = 1;type = fixedvalue;); boundary_3(name = wallLeft; value = 0;type = fixedionicflux;); boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedionicflux;); boundary_5(name = membrane1; value = 1.5;type = fixedvalue;); boundary_6(name = membrane2; value = 1.5;type = fixedvalue;); } Variable_2 { name = Cl-; type = ion; unit = mol/m3; diffusivity = 2.03E-9; chargenumber = -1; initial value = 1; boundary_1(name = inlet; value = 1;type = fixedvalue;); boundary_2(name = outlet; value = 1;type = fixedvalue;); boundary_3(name = wallLeft; boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedionicflux;); value = 0;type = fixedionicflux;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedionicflux;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedionicflux;); } Variable_3 { name = Phi; type = potential; 34 unit = Vol; initial value = 0; boundary_1(name = inlet; value = 35;type = fixedvalue;); boundary_2(name = outlet; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_3(name = wallLeft; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedvalue;); } Variable_4 { name = U; type = velocity; unit = m/s; initial value = 0; boundary_1(name = inlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_2(name = outlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_3(name = wallLeft; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedvalue;); } Variable_5 { name = V; type = velocity; unit = m/s; initial value = 0; boundary_1(name = inlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_2(name = outlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_3(name = wallLeft; boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedvalue;); value = 0;type = fixedvalue;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedvalue;); } Variable_6 { name = Pre; type = pressure; 35 unit = N/m2; initial value = 0; boundary_1(name = inlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_2(name = outlet; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_3(name = wallLeft; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedgradient;); } Variable_7 { name = DNA; type = dna; unit = mol/m3; diffusivity = 0.0454E-9; chargenumber = -50; initial value = 0.1; boundary_1(name = inlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_2(name = outlet; value = 0;type = fixedgradient;); boundary_3(name = wallLeft; boundary_4(name = wallRight; value = 0;type = fixedvalue;); value = 0;type = fixedvalue;); boundary_5(name = membrane1; value = 0;type = fixedvalue;); boundary_6(name = membrane2; value = 0;type = fixedvalue;); } Equation { name = PNPNS; make staggered grid = 0; variables = [Na+,Cl-,Phi,U,V,Pre]; dynamic boundary condition(variable = Phi;type = potential/*current*/;boundary = [inlet];first value = 35;last value = 40; increment = 1;); time(timeend = 0.15; timestep = 0.0001;); time dependent = yes; dimensionless output = yes; inlet boundary name = inlet; outlet boundary name = outlet; } Solver { 36 NS ( tolerance = 0.0001; steady state tolerance = 0.0001; max iteration = 3; ksp max iteration = 3000; ksp tolerance = 1E-8; save data frequency = 50; matrix form = 0; solver = coupled solver;); PNP ( tolerance = 0.0001; steady state tolerance = 0.0001; max iteration = 15; ksp max iteration = 3000; ksp tolerance = 1E-8; save data frequency = 50; matrix form = 0; solver = SAS; flux form = C;); PNPNS ( tolerance = 0.0001; steady state tolerance = 0.0001; max iteration = 20; ksp max iteration = 3000; ksp tolerance = 1E-8; save data frequency = 20; matrix form = 0; solver = DNA; flux form = C;); } 37 ... khí động lực a Tên đề tài: Nghiên cứu mô số thiết bị microfluidic tập trung DNA b Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu ứng dụng màng trao đổi ion nhằm tập trung gia tăng nồng độ DNA vị trí định khơng gian... khác - Ứng dụng giải số để nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng kích thước màng tích điện lên hiệu tập trung DNA thiết bị microfluidic - Đề xuất thiết kế nâng cao hiệu suất tập trung DNA Đề tài 2: Chuyên... 3.2 3.1.1 Mô vật liệu mang điện dung dịch điện li 19 3.1.2 Mô vận chuyển ion kênh dẫn nano 20 Thông số thiết bị microfluidic tập trung phân tử sinh học DNA 21 3.3 Sự tập trung DNA nhờ tượng