Perpustakaan Digital ITB

Dispenser cairan merupakan alat pembagi cairan (dispensi) dengan volume kecil yang lazim digunakan dalam persiapan sampel eksperimen laboratorium, seperti uji reaksi kimia dan analisis sampel biologis. Proses dispensi umumnya dilakukan secara manual menggunakan pipet, namun pada proses yang berskala besar, proses manual ini menjadi rentan kesalahan, sehingga sistem dispensi otomatis dalam bentuk robot dispenser cairan mulai digunakan. Salah satu produk robot dispenser cairan adalah Mantis® liquid dispenser (Formulatrix®, Inc.) yang mampu mendispensi cairan dalam bentuk tetesan droplet dalam volume 100 nanoliter. Cairan dibagikan menggunakan low volume chip, yang berisi kumpulan mikrodiafragma yang digerakkan secara pneumatik untuk menghasilkan droplet nanoliter. Mantis dikembangkan dengan pendekatan eksperimental yang sistematis dan bertahap hingga dicapai desain yang dianggap optimal. Walaupun pendekatan ini berhasil menghasilkan produk yang andal, meningkatnya tuntutan terhadap kompatibilitas cairan dan peningkatan presisi membuat pendekatan eksperimental semata menjadi kurang efisien dari segi waktu dan sumber daya. Sebagai alat yang dirancang untuk memfasilitasi persiapan sampel untuk reaksi berskala kecil berdasarkan rasio volume, nilai presisi dari volume droplet menjadi krusial. Oleh karena itu, penggabungan pendekatan eksperimental dengan pendekatan berbasis pemodelan dan simulasi numerik dinilai dapat melengkapi proses pengembangan produk secara lebih efisien, karena mampu memberikan pemahaman yang lebih mendalam terhadap fenomena dispensi serta memungkinkan eksplorasi desain secara lebih luas. Pada penelitian ini, dilakukan pengamatan pada proses pembentukan droplet dari tiga low volume chip pada Mantis ketika membagikan 100 nL air menggunakan kamera berkecepatan tinggi. Citra hasil pengamatan kemudian dimanfaatkan untuk mendeskripsikan proses pembentukan droplet pada ketiga chip yang diamati. Pengolahan citra kemudian dilakukan untuk mendapatkan pendekatan nilai volume dan debit aliran. Volume droplet didapatkan dari citra dengan asumsi bahwa droplet yang terbentuk bersifat simetris terhadap suatu sumbu putar (aksis-simetris). Debit aliran droplet didapatkan dengan menurunkan nilai perubahan volume droplet terhadap waktu. Dinamika volume droplet yang didapatkan kemudian dimanfaatkan sebagai penjelasan komplemen untuk memahami pembentukan droplet Mantis. Pengamatan terhadap pembentukan droplet menjadi dasar dari pembangunan model dari aliran fluida pada Mantis. Model dibuat menggunakan perangkat lunak COMSOL Multiphysics 5.2. Pembentukan droplet pada Mantis dimodelkan dengan aliran fluida dua fasa inkompresibel yang menerapkan metoda Level Set Method untuk memodelkan antarmuka yang terbentuk dari air dan udara. Kondisi batas masukan yang digunakan pada model adalah nilai debit aliran droplet yang didapatkan dari pengamatan. Model yang dibuat juga disimulasikan secara numerik pada perangkat lunak tersebut. Pengamatan menunjukkan bahwa pembentukan droplet oleh low volume chip Mantis ketika membagikan air bervolume 100 nL memiliki dinamika volume yang nonlinear ketika droplet sedang terbentuk pada waktu 0 hingga 2,4 ms dan terputus pada waktu 2,8 ms. Droplet yang dihasilkan membentuk droplet utama dan satelit pada ketiga chip. Droplet yang dihasilkan mengalami osilasi pada waktu 4 hingga 6 ms. Osilasi yang terjadi menyebabkan droplet berbentuk tidak simetris. Perhitungan volume droplet menghasilkan nilai rerata volume sebesar 92,8; 93,1; dan 91,1 nanoliter (nL) dengan standar deviasi sebesar 2,8; 1,6; dan 2,0 nL untuk chip 1, 2, dan 3 secara berurutan. Pola debit aliran droplet ditinjau hingga waktu 2,4 milisekon (ms), sesaat sebelum droplet terputus dari chip untuk digunakan sebagai kondisi batas masukan pada model. Hasil simulasi menunjukkan profil dinamika volume droplet memiliki nilai galat rerata absolut sebesar 5,9 nL ketika dibandingkan dengan profil dari hasil pengamatan. Upaya untuk mengurangi nilai galat dapat dilakukan penyederhanaan kondisi batas masukan, dengan membagi kondisi batas masukan menjadi tiga daerah: linear, konstan, dan peluruhan eksponen. Penyederhanaan ini memungkinkan penalaan kondisi batas dengan: perubahan durasi untuk daerah linear dan konstan dan perubahan konstanta peluruhan untuk daerah peluruhan eksponen. Penalaan kondisi batas kemudian dilakukan pada masing-masing segmen. Penalaan meningkatkan akurasi profil dinamika volume droplet hingga nilai galat rerata absolut sebesar 2,1 nL. Model dengan kondisi batas tertala kemudian diujikan untuk membagikan larutan 70% gliserol yang mampu dibagikan oleh low volume chip Mantis. Hasil simulasi menunjukkan pula bahwa model yang dibuat juga dapat membagikan larutan 70% gliserol. Hal ini menunjukkan bahwa model yang dikembangkan mampu merepresentasikan kontinuitas aliran fluida dengan baik dan memiliki potensi untuk mensimulasikan perilaku cairan lain ketika dibagikan menggunakan low volume chip oleh Mantis.