UNA CELLA DI FLUSSO TIPO RIJ
CAPITOLO 6: “SPERIMENTAZIONE E QUALIFICA DELLA CELLA DI FLUSSO”
6.6 Confronto con le predizioni teoriche
Tra le prove effettuate, la PROVA #2 è l’unica che eseguita con un protocollo rigoroso, ha fornito dei risultati attendibili. Tuttavia da un’analisi ad occhio nudo delle prove #1, #3, #4 si possono trarre utili informazioni sul processo depositivo (evidentemente, ma qualitativamente tempo e concentrazione dipendente), ma non utili al fine di qualifica necessaria a questo lavoro.
A questo punto quindi, con stretto riferimento alla Prova #2, si può confrontare l’andamento differenziale del gradiente di intensità a luminescenza di Fig.(6.15) avente profilo di tipo parabolico centrato nel punto di ristagno, con l’andamento del flusso teorico in forma adimensionale Fig.(6.16), entrambi su scala radiale .
Il risultato conferma l’analisi modellistica sviluppata nel Cap.(4): il confronto tra il grafico di Fig.(6.15) e Fig.(6.16) mostra come il modello del flusso ridotto, fitti con il risultato sperimentale; infatti se si seziona verticalmente e in corrispondenza del punto di ristagno l’immagine 3D del modello, quello che si ricava è un profilo parabolico come ottenuto dal test.
I differenti valori di scala sono principalmente dovuti al fatto che la Fig.(16) è un modello normalizzato del flusso di massa, mentre il grafico di Fig.(15) è legato all’intensità luminosa reale espressa dal flusso target una volta depositato irreversibilmente sul vetrino ed è eccitato dal fascio luminescente.
-15000 -1000 -500 0 500 1000 1500 2 4 6 8 10 12 14 R I
Fig.(6.15): Andamento differenziale del gradiente di intensita di luminescenza nella PROVA #2: I adimensionale e R in μm.
Fig.(6.16): Andamento del flusso massico normalizzato all’interfaccia, secondo la previsione modellistica in Cap.(4)..
In conclusione si può affermare che il buon accordo tra i dati sperimentali, ottenuti con protocollo di prova rigoroso, e le predizioni teoriche ha confermato l’applicabilità delle soluzioni numeriche del campo di flusso e del processo di trasporto di massa nella cella RIJ progettata.
CONCLUSIONI
In questo lavoro di tesi è stato preso in esame un particolare tipo di biosensore il cui principio di funzionamento è basato sull’utilizzo di un trasduttore di larga diffusione, come il sistema microgravimetrico di tipo QCM (“Quartz Crystal Microbalance”), le cui caratteristiche elettromeccaniche sono ben conosciute e adatte ad indagini biologiche in
liquido.
Da una attenta ricerca bibliografica è emerso che la sensibilità di massa di una microbilancia al quarzo ha il suo picco massimo in corrispondenza del baricentro dell’area di sovrapposizione degli elettrodi che riporta sulle proprie facce; in particolare per QCM tondi da 10 MHz (come quelli utlizzati), con elettrodi circolari pieni posizionati simmetricamente rispetto all’asse dello stesso, la zona di massima sensibilità è localizzata al centro del quarzo e decade a zero con andamento gaussiano entro un raggio di azione di 0,9 mm. A fronte di questa specifica elettromeccanica, lo studio si è rivolto alla ricerca di un modello termofluidodinamico che mirasse ad ottimizzare il processo di adsorbimento e deposizione (cosiddetto adsorbimento irreversibile) di RNA messaggero (mRNA) nella suddetta zona a maggior sensibilità di massa del quarzo, in condizioni di flusso laminare e rigorosa termostatazione. Anche in questo caso, da una critica revisione della più recente letteratura internazionale su processi depositivi di massa in liquido, è emerso come il modello termofluidodinamico che meglio si adatta al caso in esame riguarda l’utilizzo di una cella di flusso di tipo RIJ (“RADIAL IMPINGING JET”) a piani paralleli.
Il modello analitico RIJ scelto è stato riprodotto e qualificato tramite i codici di calcolo Matlab® e Fluent® verificando come il flusso massico di deposizione, sfruttando le caratteristiche della zona di ristagno SPZ (“STAGNATION POINT ZONE”) che si viene a creare al centro del collettore, abbia teoricamente il suo massimo in corrispondenza di quello della massima sensibilità del quarzo, in accordo con quanto richiesto.
Per un QCM da 10 MHz è stato scelto un diametro del getto da 1 mm, che realizza
un’area di impatto ottimale con la zona di massima sensibilità del quarzo sottostante. La distanza h tra il quarzo e la bocca del getto è stata posta in rapporto con il raggio R del getto stesso secondo un valore ben preciso imposto dal modello teorico: h/R=1.6.
Al fine di qualificare sperimentalmente in modo semplice e diretto il processo depositivo, in sostituzione del QCM è stato utilizzato un supporto siliceo in grado di simularne perfettamente le peculiarità superficiali con le stesse caratteristiche dimensionali e identico trattamento biochimico; questo anche per prescindere dal funzionamento elettronico del trasduttore. I vantaggi di questa scelta sono stati il minor costo della cella e la facilitazione nell’analisi al microscopio.
Una parte consistente del lavoro ha riguardato la progettazione e la realizzazione del prototipo seguendo le indicazioni fornite dal modello analitico e tenendo conto dell’esperienza maturata da precedenti sperimentazioni. Riguardo a quest’ultimo punto, si è cercato di eliminare i difetti riscontrati in precedenti prototipi, mirando alla semplicità costruttiva e ad una soluzione tecnologicamente a basso costo. La realizzazione del prototipo è consistita in una iniziale analisi di fattibilità effettuata in collaborazione con un’officina specializzata tramite diverse soluzioni di avanprogetto che hanno portato alla stesura finale del complessivo di studio, dei particolari quotati e dei cicli di lavorazione; quest’ultimi sono stati realizzati su centri di lavoro a controllo numerico dall’officina di micromeccanica
BRUSA S.r.l di Livorno. Il risultato finale è un prototipo assialsimmetrico con spiccate doti di
modularità che ne facilitano enormemente l’utilizzo in ogni fase di lavoro. Il collaudo del sistema eseguito al banco di prova sia dal punto di vista idraulico, sfruttando apposite cartine tornasole, che di assemblaggio ha fornito esito positivo.
La parte conclusiva del lavoro ha riguardato l'esecuzione, mediante l'utilizzo del prototipo realizzato, di alcune prove sperimentali di deposizione su substrati silicei, di RNA messaggero (mRNA) marcato con fluoresceina in soluzione fisiologica: la sperimentazione è stata misurata sulle principali variabili di processo quali tempo, concentrazione e portata massica della soluzione “target”, proprio per qualificare le specifiche di stabilità, ripetibilità e tempistica richieste ad una tale tecnologia.
La lettura dei dati sperimentali è stata effettuata con tecniche di microscopia a fluorescenza mentre l’interpretazione e la caratterizzazione è affidata ad una tecnica di
imaging opportunamente implementata sul codice Matlab®: il buon accordo tra i dati sperimentali e le predizioni teoriche ha confermato l’applicabilità delle soluzioni numeriche del campo di flusso e del processo di trasporto di massa nella cella RIJ progettata.
In definitiva, nel presente lavoro di tesi è stata realizzata una cella di tipo RIJ che può essere ritenuta un ottimo supporto di misura per future e più rigorose analisi quantitative di fenomeni di ibridizzazione. In particolare, il lavoro svolto ha fornito le basi per la futura progettazione di un sistema integrato, completo di tutto ciò che serve a fornire una misura in “real-time” attendibile e ripetibile; ciò consentirà di monitorare in modo semplice e diretto complessi processi biomolecolari, costituendo una grande alternativa agli attuali metodi di chimica analitica.
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ALLEGATO 2
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