ديود مگنتوفورتيك مثلثي براي انتقال يك طرفه تك ذرات در تراشه هاي ميكروفلويديك

Chevron Magnetophoretic Diodes for Unidirectional Transport of Single Particles in Microfluidic Chips

استفاده از مدارهاي مگنتوفورتيك، متشكل از فيلمهاي لايه نازك، روشي مدرن به منظور انتقال دقيق و كنترل شده تك ذرات و سلولها در سيستمهاي ميكروفلويديك است. مدارهاي مگنتوفورتيك از مدارهاي الكترونيكي الهام گرفته شده اند و شامل المانهاي مداري مانند رسانا، خازن، و ترانزيستور مي باشند. استفاده از اين المانهاي مداري امكان انتقال دقيق تعداد زيادي تك ذره بر روي تراشه را فراهم مي سازد. اما تا بحال ديودهاي مدارهاي مگنتوفورتيك مدرن عملگر در ميدان مغناطيسي سه بعدي بررسي نشده اند. در اين پژوهش ما با استفاده از روش اجزاء محدود، طرح پيشنهادي ديود را شبيه سازي نموده و هندسه مناسب آن را يافته ايم. ديود مگنتوفورتيك انتقال يك طرفه ذرات و سلول هاي مغناطيسي را در يك محيط ميكروسيال با اعمال يك ميدان مغناطيسي گردان خارجي فراهم مي كند. در طراحي اين ديود، يك مسير نامتقارن براي هدايت يك طرفه ذرات معرفي شده است. همچنين، براي كاهش جاذبه چالشزاي مابين ذرات مغناطيسي، يك ميدان مغناطيسي باياس عمودي نيز به سيستم اعمال شده است. با مطالعه توزيع انرژي بر روي تراشه، مسير حركت ذرات مغناطيسي را پيش بيني نموده ايم و دستاوردها را را با نتايج آزمايشهاي عملي انجام شده در كارهاي قبلي تاييد كرده ايم. پس از اعتبارسنجي نتايج، اثر پارامترهاي مختلف، مانند اندازه ذرات، فاصله بين اجزا مسير، و شدت ميدان مغناطيسي اعمالي را بر عملكرد قطعه بررسي نموديم. از اين پس اين قطعه مي تواند در طراحي مدارهاي مگنتوفورتيك مورد استفاده قرار گرفته و انتقال دقيقتر ذرات بر روي تراشه را امكانپذير نمايد. مدارهاي حاصل كاربردهاي مهمي در حوزه هاي بايو، پزشكي، و آزمايشگاه بر روي تراشه دارند.

Magnetophoretic circuits, made of magnetic thin films, are modern methods for the controlled transport of microparticles and cells in the microfluidic systems. The magnetophoretic circuits, inspired from the electronic circuits, are composed of circuit elements, such as conductors, capacitors, and transistors. Employing these circuit elements allows precise transportation of numerous single particles. However, to date diodes for the modern magnetophoretic circuits operating in a tri-axial field are not studied. Here, we use finite element methods to simulate the proposed diode design and find its appropriate geometry. This diode unidirectionally transports particles and cells in a microfluidic environment in an external rotating magnetic field. To achieve this unidirectional transport, an asymmetric magnetic path is designed. Also, to lower the particle-particle attractive forces, a vertical bias field is introduced. By studying the energy distribution on the chips, we predict the magnetic particle trajectories and verify these results by the experimental results from the previous works. After validation of our results, we study the impact of various parameters, including the particle size, the distance between the magnetic track segments, and the magnetic field intensity on the device operation. The introduced diode can be integrated into magnetophoretic circuits and more precise particle transport is achieved. The resulting circuits have fundamental applications in the fields of biology, medicine, and lab on a chip.