mający na celu wytworzenie na krzemie - MEMS lab

ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE
LABORATORIUM
Ćwiczenie nr 3
Kropelkowy system mikrofluidyczny
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i warunkami poprawnego działania
kropelkowego systemu mikrofluidycznego. Należy określić zakres stosunku ciśnienia wody do
ciśnienia oleju, który jest konieczny do uzyskania generacji kropel. Następnie należy zmierzyć
częstotliwość generacji kropel dla zadanych parametrów. System mikrofluidyczny został
opracowany w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaiki na Wydziale Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki w ramach pracy dyplomowej magisterskiej.
Wprowadzenie:
Kropelkowe systemy mikrofluidyczne znajdują zastosowanie w takich dziedzinach nauki i
przemysłu jak farmacja, medycyna, chemia i biochemia.
Kropelkowe systemy mikrofluidyczne to miniaturowe urządzenia przeznaczone do
przeprowadzania reakcji chemicznych, biochemicznych w celu wytwarzania związków
chemicznych i/lub analizy różnych substancji chemicznych lub materiału biologicznego.
Systemy te są wykonywane ze szkła, krzemu lub polimerów i składają się z mikrokanałów
prowadzących
i
mieszających
ciecze,
zbiorniczków,
mikrozaworów,
detektorów.
Prowadzenie procesów chemicznych w mikroskali ma wiele zalet, m.in. znaczne zmniejszenie
ilości odczynników chemicznych, zwiększenie stabilności i powtarzalności przeprowadzania
reakcji chemicznych, poprawa kontroli parametrów procesu (np. temperatury), znaczne
skrócenie czasu wykonywania analiz chemicznych. W ostatnich latach odnotowuje się coraz
większe zainteresowanie przemysłu chemicznego, kosmetycznego i farmaceutycznego
kropelkowymi systemami mikrofluidycznymi przeznaczonymi do generacji powtarzalnych
kropel o objętości pojedynczych nanolitrów, a nawet pikolitrów. Obecnie badania nad
„techniką kropelkową” skoncentrowane są głównie na wytwarzaniu emulsji dwufazowych,
które składają się z fazy ciągłej oraz zawieszonej w niej fazy dyspersyjnej, zwykle wody w
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
oleju (W/O) lub oleju w wodzie (O/W). W opracowanym mikrochipie faza dyspersyjna
(woda) jest emulgowana w postaci powtarzalnych kropelek, których wielkość oraz szybkość
generacji są regulowane tzw. metodą ciśnieniową.
Opis stanowiska:
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. W skład układu pomiarowego
wchodzą:
1) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu WODY,
2) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu OLEJU,
3) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu detergentu,
4) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji,
5) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji,
6) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji,
7) zbiornik z WODĄ zabarwioną na niebiesko,
8) zbiornik z OLEJEM zabarwionym na czerwono,
9) zbiornik z detergentem,
10) zbiornik na odpadki,
11) cztery zawory mikrofluidyczne,
12) trójnik mikrofluidyczny,
13) czwórnik mikrofluidyczny,
14) chip mikrofluidyczny,
15) mikroskop Bresser,
16) komputer.
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Chip kropelkowy:
Chip z układem kanałów mikrofluidycznych, dwóch wlotach i jednym wylocie, wykonano
ze szkła borokrzemowego (Borofloat 33, Schott, Niemcy), o wymiarach 25 mm × 50 mm ×
2,2 mm. Wykorzystując oprogramowanie CAD, zaprojektowano konfigurację mikrokanałów
o przekroju 300 µm × 50 µm, skrzyżowanie „typu T” do wytwarzania kropel, zakręt 180° o
promieniu 2,4 mm oraz koliste poszerzenie kanału o szerokości 750 μm, umożliwiające
łączenie wytworzonych nanokropel (Rys. 2). Wzór kanałów wytrawiono w szkle w roztworze
40%HF: 35%HCl, wykorzystując odporną chemicznie folię maskującą. Otwory dolotowe o
średnicy 1 mm wywiercono w drugim podłożu szklanym. Podłoża poddano kąpieli
czyszczącej (detergent, aceton, izopropanol, Pirania (3:1), płukanie wodą dejonizowaną),
zgrano wzajemnie i trwale połączono w procesie wysokotemperaturowego bondingu
fuzyjnego.
Rys. 2. Schemat układu kanałów mikrofluidycznych w chipie
Przebieg ćwiczenia:
1) Przygotowanie układu pomiarowego do działania:
a) włącz komputer,
b) utwórz folder z twoim numerem indeksu,
c) włącz program do nagrywania obrazu z mikroskopu - program CamApp (naciśnij
przycisk “picture” na mikroskopie),
d) ustaw ostrość na mikroskopie tak, żeby dobrze widzieć skrzyżowanie typu ”T”
w kanale mikrofluidycznym,
e) naciśnij przycisk “mode” na mikroskopie w celu zmiany koloru oświetlenia,
f) w celu zmiany jasności użyj dwóch przycisków mikroskopu,
g) naciśnij przycisk “picture” na mikroskopie w celu wykonania zdjęcia chipa.
2)
Instrukcja do programu CamApp:
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
a) wybierz ścieżkę do zapisania pliku video (File → Set capture file Folder),
b) dobierz ustawienia video (Option → Video Capture Filter),
c) ustaw czas nagrania na 30 sekund: Capture → Record time limit,
d) ścieżka do rozpoczęcia nagrania: Capture → Start Capture,
e) ścieżka do zakończenia nagrania: Capture → Stop Capture.
3) Uruchomienie układu:
a) upewnij się, że regulatory są w pozycji zamkniętej,
b) upewnij się, że zawory mikrofluidyczne 1 i 2 są otwarte, a zawory 3 i 4 są zamknięte,
b) otwórz zawór główny doprowadzający sprężone powietrze do stanowiska,
c) ustaw regulatory ciśnienia WODY i OLEJU na 30 kPa każdy,
d) poczekaj aż zobaczysz olej (czerwona ciecz) i wodę (niebieska ciecz) przed wlotami
do chipa,
e) jak tylko woda i olej pojawią się w chipie dostosuj ciśnienie za pomocą regulatorów
tak, aby woda i olej wpływały do wspólnego kanału i by powstał przepływ laminarny,
f) dostosuj ustawienia mikroskopu w celu uzyskania najlepszej jakości obrazu,
4) Pomiary zakresu stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju:
a) dobierz tak wartości ciśnienia dla wody i oleju, aby uzyskać krople wody zawieszone
w strumieniu oleju (nie przekraczaj 60 kPa na każdym regulatorze),
b)
jeśli otrzymasz krople na skrzyżowaniu, rozpocznij proces nagrywania filmu (czas
nagrania 30 sekund),
c)
przy stałej wartości ciśnienia oleju zmieniaj wartość ciśnienia wody, tak by krople
zmieniły nieznacznie swój rozmiar,
d) po każdej zmianie wartości ciśnienia nagraj 30 sekundowy film,
e) wypełnij Tabelę 1, która znajduje się w części ”Uwagi”,
f) przy stałej wartości ciśnienia wody zmieniaj wartość ciśnienia oleju, tak by szybkość
przepływu kropel nieznacznie się zmieniła,
g) po każdej zmianie wartości ciśnienia nagraj 30 sekundowy film,
h) wypełnij Tabelę 2, która znajduje się w części ”Uwagi”.
5) Czyszczenie chipa mikrofluidycznego:
a) ustaw regulatory w pozycji zamkniętej,
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
b) ustaw zawory mikrofluidyczne 1 i 2 w pozycji zamkniętej, a zawory 3 i 4 w pozycji
otwartej,
c) ustaw regulator detergentu na 30 kPa,
d) chip należy wyczyścić przy pomocy detergentu – czas czyszczenia to 25 minut,
e) po zakończeniu czyszczenia ustaw regulatory w pozycji zamkniętej,
f) ustaw zawory mikrofluidyczne 1 i 2 w pozycji otwartej, a zawory 3 i 4 w pozycji
zamkniętej,
g) zamknij zawór główny doprowadzający sprężone powietrze do stanowiska.
Analiza wyników pomiarów:
Częstotliwość wytwarzania kropel może być określona przez analizę wyników nagrań
wykonanych dla wybranej części kanału.
Ciśnienie oleju = ………
Tabela 1. Zakres stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju oraz częstotliwość generacji kropel f dla ciśnienia
oleju = const
Lp.
ciśnienie wody
stosunek ciśnienia
częstotliwość
wody do oleju
[kropel na minutę]
[kPa]
1
…
2
p+4
3
p+2
4
wartość początkowa (p)
5
p−2
6
p4
…
…
Ciśnienie wody = ………
Tabela 2. Zakres stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju oraz częstotliwość generacji kropel f dla ciśnienia
wody = const
Lp.
ciśnienie oleju
stosunek ciśnienia
częstotliwość
wody do oleju
[kropel na minutę]
[kPa]
1
…
2
p+4
3
p+2
4
wartość początkowa (p)
5
p−2
6
p−4
…
…
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Przykładowe pytania:
 Jakie rodzaje cieczy można łączyć ze sobą w celu uzyskania nanokropel w układach
mikrofluidycznych?
 Jakie znasz konfiguracje kanałów umożliwiające tworzenie się nanokropel?
 Jakie znasz metody zarządzania kroplami w kanałach mikrofluidycznych?
 Dlaczego kropelkowe systemy mikrofluidyczne stają się alternatywą dla
konwencjonalnych urządzeń laboratoryjnych?
Przed wykonaniem ćwiczenia proszę zapoznać się z materiałami pomocniczymi
przygotowanymi do ćwiczenia.
Opracowała: I. Augustyniak, marzec 2013
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl