Multiphysics Simulation of Isoelectric Point Separation of

Proteins Using Non-Gel Microfluidic System

RENDI YUNIARDHI3333071261

rendi_yuniardhi@yahoo.co.id

Ukuran perubahan biokimia dalam tubuh manusia dapat menjadi indikator terhadap kesehatan fisiologis seseorang

Kemampuan untuk mendeteksi dan mengukur protein indikasi penyakit, infeksi atau stres menggunakan sampel tunggal cairan tubuh yang memiliki potensi untuk menghasilkan analisis yang lebih akurat tentang keadaan fisiologis dan memungkinkan prognosis yang lebih baik dan pengobatan lebih cepat.

tantangan utama dengan analisis protein dalam cairan tubuh seperti darah adalah jumlah protein dan beragam rentang konsentrasi yang ada (Anderson dan Anderson 2002 [5]). Kompleksitas ini menetapkan kebutuhan untuk mencapai pemisahan protein resolusi tinggi sebelum analisis.

Pendahuluan

Kemampuan untuk mendeteksi dengan cepat indikasi biomarker dapat dilakukan dengan menggunakan Enzim-linked immunosorbent assays (ELISA)

Kelemahan dari menggunakan ELISA adalah biaya menjadi pengahalang untuk skala besar, diagnosa multiplexing diperlukan untuk penyakit yang kompleks. Selanjutnya, kemampuan untuk bidang unit portabel berdasarkan ELISA merupakan tantangan karena berbagai sensitif reagen (antibodi yaitu enzim) yang diperlukan untuk analisis

Pendahuluan (lanjutan)

Lynntech merancang sebuah microfluidic, pemisahan protein nongel microfluidic yang efektif dapat memisahkan protein dari cairan tubuh. Untuk membuat sistem biaya yang efektif, Lynntech menggunakan polydimethylsiloxane (PDMS) material sebagai substrat, yang memiliki tekstur microfluidic di dalamnya untuk menghasilkan jalur aliran.

Pembahasan berikut menjelaskan teknik kami mengoptimalkan desain ditunjukkan pada Gambar 1 dengan memanfaatkan COMSOL dan Disain Percobaan.

Pendahuluan (lanjutan)

Figure 1: Schematic of single isoelectric focusing chip with three inlets and multiple outlets. This figure shows oneof the designs with three outlets.

Tujuan dari DOE adalah untuk memaksimalkan distribusi pH widthwise di outlet saluran microfuidic dengan keseragaman tertinggi dicapai sehingga protein yang terkait dengan nilai-nilai pi dapat dipisahkan secara efektif

Sepuluh parameter individu mengendalikan distribusi pH dalam saluran diidentifikasi. Nilai minimum dan maksimum untuk parameter ini berdasarkan persyaratan chip pemisahan protein didefinisikan. Untuk pertimbangan praktis dan kesederhanaan, L / W diambil sebagai parameter independen. Dengan cara yang sama, elektroda tegangan (V) adalah linear tergantung pada lebar saluran; maka W / V diambil sebagai parameter independen.

Design of Experiment

Table 1: Plackett-Burman Design with twelve runs of experiments or models can be an effective way to screen most important parameters. Min and Max correspond to the minimum and maximum value of that particular parameter based on physical space constraints and other practical limitations identified during this work.

Jenis-Burman Plackett DOE analisis dilakukan menggunakan perangkat lunak JMP untuk mengidentifikasi bagaimana masing-masing parameter di atas mempengaruhi distribusi pH dan keseragaman di outlet saluran. Dua belas kombinasi parameter di atas (Tabel 1) diidentifikasi berdasarkan DOE dengan tanggapan individu untuk setiap kombinasi dalam tes matriks yang berasal dari simulasi COMSOL Multiphysics

Terdapat dua kriteria yang terpisah yang digunakan untuk evaluasi respon; distribusi pH maksimum dan seragam di outlet saluran. Ini dijelaskan dengan menggunakan kendala sebagai berikut: Maksimum distribusi pH = Max (PHA-PHB) dan seragam pH gradien = Max (| Rerata DPH / dy | -σdpH/dy). Hal ini skematis ditunjukkan pada Gambar 2.

Design of Experiment (lanjutan)

Figure 2: Schematic representation of the response was evaluated using COMSOL Multiphysics. The goal of DOE was to maximize pHA-PHB and |Mean of dpH/dy|- σdpH/dy; where σ is the standard deviation.

Analisis tanggapan diperoleh dari COMSOL dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak JMP. JMP memberikan hubungan antara parameter individu, dan variabel yang sedang dioptimalkan (nilai maksimum PHA-PHB dan | Rerata DPH / dy | -σdpH/dy).

Parameter yang diperoleh dari optimasi DOE berbeda dari kasus sebelumnya. Hasil analisis ini ditunjukkan dalam Gambar 7 dan Gambar 9. Karena efek medan listrik eksternal, ion hidrogen bermigrasi menuju elektroda negatif di bagian bawah saluran microfluidic, dan membentuk zona pH rendah. PH terendah tercatat 1,549, sedangkan pH maksimum terbentuk di bagian atas sebagian besar wilayah saluran microfluidic dan nilainya adalah 13,178.

Result and Discussion

Dari optimasi yang didasarkan pada simulasi numerik, itu diamati bahwa pH gradientin kisaran 3,7-9,01 dapat dicapai dengan satu chip tunggal isoelektrik fokus dalam kasus nol tegangan yang diberikan ke elektroda dan gradien pH dalam kisaran 1,549 untuk 13,178 dapat dicapai dengan potensi diterapkan pada elektroda.

Hasil ini penting karena mereka mengijinkan Lynntech fleksibilitas untuk memisahkan protein hampir di seluruh rentang nilai pH. Ia juga menemukan bahwa penerapan tegangan eksternal ditingkatkan pH dalam saluran distribusi microfluidic.

Memanfaatkan teknik DOE dengan hasil yang didapat dari COMSOL telah terbukti sangat efektif dalam mengoptimalkan desain chip microfluidic. Teknik ini juga dapat terbukti sangat efektif dalam mengoptimalkan berbagai macam produk pada tahap awal perkembangan mereka atau improvisasi dari yang sudah ada. Ini telah meningkatkan kecepatan dan efisiensi prototyping bersama dengan signifikan mengurangi biaya.

Kesimpulan

.: Terimakasih :.