Συγκριτική υπολογιστική μελέτη μικρορευστονικών διατάξεων για την ενίσχυση δειγμάτων DNA μέσω της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης

Παπαδόπουλος, Βασίλειος; Papadopoulos, Vasileios

dc.contributor.author	Παπαδόπουλος, Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Papadopoulos, Vasileios	en
dc.date.accessioned	2016-07-11T10:07:14Z
dc.date.available	2016-07-11T10:07:14Z
dc.date.issued	2016-07-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43057
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5777
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	DNA amplification	en
dc.subject	PCR	en
dc.subject	Continuous flow	en
dc.subject	Static chamber	en
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Ενίσχυση DNA	el
dc.subject	Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης	el
dc.subject	Συνεχούς ροής	el
dc.subject	Στατικού θαλάμου	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.title	Συγκριτική υπολογιστική μελέτη μικρορευστονικών διατάξεων για την ενίσχυση δειγμάτων DNA μέσω της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Lab on a chip	en
heal.classification	Μικροεργαστήρια σε ψηφίδα	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-12-22
heal.abstract	Συγκρίνονται μέσω υπολογιστικής μελέτης δύο μικρορευστονικές διατάξεις για την υλοποίηση της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (polymerase chain reaction, PCR). Η PCR χρησιμοποιείται για την ενίσχυση (πολλαπλασιασμό) του δεσοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA) και περιλαμβάνει θερμικούς κύκλους σε τρία θερμοκρασιακά επίπεδα με τυπικές τιμές 95οC (βήμα αποδιάταξης), 55oC (βήμα υβριδισμού) και 72 οC (βήμα επιμήκυνσης). Η πρώτη είναι διάταξης συνεχούς ροής και η δεύτερη στατικού θαλάμου. Οι θερμικοί κύκλοι στην πρώτη διάταξη υλοποιούνται μέσω της μετακίνησης του δείγματος DNA σε μικροκανάλι που διέρχεται επαναλαμβανόμενα από διαφορετικές θερμικές ζώνες. Στη δεύτερη διάταξη, οι θερμικοί κύκλοι υλοποιούνται με κατάλληλη αυξομείωση της θερμοκρασίας του στατικού θαλάμου. Οι γεωμετρικές προδιαγραφές και για τις δύο διατάξεις επιβάλλονται από την τεχνολογία εύκαμπτων τυπωμένων κυκλωμάτων (flexible printed circuits, FPC). Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται συνδυάζει τις εξισώσεις συνέχειας και διατήρησης της ορμής, εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας σε στερεά και ρευστά, διατήρησης μάζας των ειδών, θέρμανσης μέσω του φαινομένου Joule και αυτομάτου ελέγχου θερμοκρασίας. Η σύγκριση γίνεται υπό τις ίδιες συνθήκες: Ίδια στοίβα υλικών, δηλαδή εύκαμπτα λεπτά πολυμερικά υμένια με ενσωματωμένα στρώματα χαλκού για την ολοκλήρωση των αντιστάσεων θέρμανσης, ίδιος όγκος του δείγματος DNA και ίδιο πρωτόκολλο PCR. Η επίδοση των διατάξεων ποσοτικοποιείται με βάση την ενίσχυση του DNA, την κατανάλωση ενέργειας, και το συνολικό χρόνο λειτουργίας. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η αποτελεσματικότητα σε ενίσχυση του DΝΑ είναι σχεδόν η ίδια και στις δύο διατάξεις. Σε αντίθεση με τη γενική πεποίθηση, η λειτουργία διατάξεων στατικού θαλάμου κατασκευασμένων σε λεπτά υποστρώματα (<1000 μm) απαιτεί (2-4 φορές) χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας συγκρινόμενη με αυτή των διατάξεων συνεχούς ροής, παρά τις συχνές μεταβολές των επιπέδων θερμοκρασίας για κάθε θερμικό κύκλο. Οι συνεχείς απώλειες ενέργειας στο περιβάλλον κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της διάταξης συνεχούς ροής (που διαθέτει μεγαλύτερη επιφάνεια από την στατικού θαλάμου) ξεπερνούν την ενέργεια που απαιτείται για τους θερμικούς κύκλους της διάταξης στατικού θαλάμου. Ωστόσο δεν συμβαίνει το ίδιο όταν αυξάνει το πάχος του υποστρώματος πάνω από 1000 μm. Σχετικά με την ταχύτητα, ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση συγκεκριμένου αριθμού θερμικών κύκλων της PCR στη διάταξη στατικού θαλάμου είναι 1,1 με 2 φορές μεγαλύτερος από εκείνον της διάταξης συνεχούς ροής. Με δεδομένο ότι στη διάταξη στατικού θαλάμου χρειάζεται και το δείγμα και η συκευή να θερμανθεί και να ψυχθεί για να υλοποιηθούν οι θερμικοί κύκλοι, η επίδοση αυτή είναι ικανοποιητική για τη διάταξη στατικού θαλάμου και επιτυγχάνεται λόγω των σχετικά γρήγορων ρυθμών θέρμανσης και ψύξης των λεπτών υποστρωμάτων. Τα πλεονεκτήματα για τις διατάξεις στατικού θαλάμου προκύπτουν ως αποτέλεσμα του μικρού πάχους του υποστρώματος όπου τα μικροκανάλια και οι θερμικές αντιστάσεις απέχουν ελάχιστα. Τόσο η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, όσο και η εγγενής ευελιξία για υλοποίηση πρωτοκόλλων PCR υποδεικνύουν μια ελκυστική δυνατότητα για χρήση των διατάξεων στατικού θαλάμου που κατασκευάζονται σε εύκαμπτα λεπτά υποστρώματα με ολοκληρωμένες θερμικές αντιστάσεις σε μικρο-εργαστήρια σε ψηφίδα (Lab-On-a-Chip systems). 5 Πέρα από τη σύγκριση των δύο διατάξεων υλοποιείται και σχεδιασμός μικρορευστονικής διάταξης ενίσχυσης DNA συνεχούς ροής μικρού αποτυπώματος. Το μικρό αποτύπωμα μπορεί να είναι απαραίτητο για την ολοκλήρωση της διάταξης σε μικρο-εργαστήριο σε ψηφίδα, ταυτόχρονα όμως μειώνει το συνολικό μήκος των αναγκαίων θερμικών στοιχείων ελαττώνοντας την αντίστασή τους. Το αποτέλεσμα είναι η αδυναμία πλήρωσης των προδιαγραφων λειτουργίας του ελεγκτή θερμοκρασίας. Για να μεγαλώσει η αντίσταση και να ικανοποιηθούν οι προδιαγραφές, χρησιμοποιούνται πολλαπλά μεταλλικά επίπεδα στη διάταξη κάνοντας χρήση της τεχνολογίας τυπωμένων κυκλωμάτων (Printed Circuit Board, PCB). Ωστόσο, το πάχος της διάταξης αυξάνεται. Ταυτόχρονα, τα υλικά της τεχνολογίας PCB παρουσιάζουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα κατά το επίπεδο της διάταξης. Ο συνδυασμός της αύξησης του πάχους των διατάξεων και της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας εμποδίζουν την επίτευξη της θερμοκρασιακής ομοιομορφίας στις θερμικές ζώνες και τη θερμική απομόνωση μεταξύ των ζωνών, τα οποία είναι απαραίτητα για την αποδοτική λειτουργία της διάταξης. Για την ομαλή λειτουργία διάταξης μικρού αποτυπώματος η αριστοποίηση της απόστασης μεταξύ των ζωνών βελτίωσε τη θερμική απομόνωση μεταξύ των ζωνών. Για την περαιτέρω βελτίωση σχεδιάστηκαν διάκενα μεταξύ των ζωνών που εξασφάλισαν ικανοποιητική θερμική απομόνωνση μεταξύ των ζωνών και θερμοκρασιακή ομοιομορφία εντός των ζωνών.	el
heal.abstract	Two types of microfluidic devices for the implementation of polymerase chain reaction (PCR) are compared through a computational study; PCR is used for the amplification of deoxyribonucleic acid (DNA) and involves thermal cycles in three temperature steps with typical values of 95οC (denaturation), 55oC (annealing), and 72 οC (extension). The first device is a continuous flow device and the second is a static chamber device. In the first device the thermal cycles are implemented with the flow of DNA sample through the microchannels passing repeatedly from different thermal zones. In the second device the thermal cycles are implemented through appropriate time-variation of the temperature of the static chamber. The geometrical specifications for both devices are imposed from the flexible printed circuit (FPC) technology. The mathematical model couples the equations of laminar flow, heat transfer in both solid and fluid, mass conservation of species, joule heating, and temperature control feedback. The comparison is performed under identical conditions; the same material stack, i.e. flexible thin polymeric films with metal layers for integration of microheaters, the same volume of PCR mixture, and the same PCR protocol. Performance is quantified in terms of DNA amplification, energy consumption, and total operating time. The calculations show that the efficiency of DNA amplification is almost the same in both devices. However, contrary to what is generally believed, the static chamber device fabricated on thin substrates (<1000 μm), despite the necessary temperature ramping up within each thermal cycle, requires (2-4 times) lower energy consumption compared to the continuous flow device. The constant energy losses to the ambient continuously during the operation of the continuous flow device overcome the energy required for the thermal cycling of the static chamber device. However, this result is reversed when the substrate thickness increases above 1000 μm. Concerning the speed, the total time required for the static chamber device to complete a specified number of thermal cycles is only 1.1 to 2 greater than that of the continuous flow device. This outcome is satisfactory, given that in the static chamber device both the PCR sample and the device undergo the thermal cycle, and occurs due to relatively rapid heating and cooling rates for such thin substrates. These advantages for static chamber micro-PCR devices arise as a result of the small substrate thickness where microchannels and microheaters are closely spaced. Both the low energy consumption as well as the inherent protocol flexibility indicate an attractive potential for static chamber micro-PCR devices realized on flexible thin substrates with integrated microheaters for Lab-on-a-Chip (LoC) systems. Apart from the comparison of the two types of devices, a design of a continuous flow microfluidic device with a smaller footprint is implemented through a computational study. The small footprint maybe necessary for the LoC system integration. However, it reduces the overall length of the heaters and the temperature controller specifications are not met. By integrating multiple metallic layers, using the printed circuit board (PCB) technology, the minimum resistance values at the heaters are met, increasing though the thickness of the device. At the same time, the materials of low cost and commercially available PCB technology exhibit high in-plane thermal conductivity. Therefore the combination of increased device thickness and high thermal conductivity leads to the lack of temperature 3 uniformity in the thermal zones and lack of thermal isolation between the zones, deteriorating the device efficiency. The computational study shows that the thermal isolation between the zones with the smaller footprint is improved by a distance optimization between the thermal zones. Further improvement is achieved, and consequently an efficient device is proposed, by the formation of trenches between the zones.	en
heal.sponsor	Η εργασία αυτή υποστηρίχτηκε εν μέρει από το πρόγραμμα της ΕΕ (FP7-ICT-2011.3.2) LOVE-FOOD: Love wave fully integrated Lab-on-Chip platform for food pathogen detection (Grant agreement no: 317742) και το έργο GSRT “SYNERGASIA” “Converging Lamb wave sensors with microtechnologies towards an integrated Lab-on-chip for clinical diagnostics-Lambsense”.	el
heal.advisorName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τσερέπη, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ζεργιώτη, Ιωάννα	el
heal.committeeMemberName	Γογγολίδης, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	134 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true