Mateusz Kapłon

Mateusz Kapłon
„Studium wykonalności szklanych i polimerowych lab-chipów do akustoforezy”
Akustoforeza jest techniką bezkontaktowej manipulacji cząstek w zawiesinie. Technika ta realizowana
jest za pomocą fal dźwiękowych, które oddziałują na cząstki. W mikrofluidyce akustoforeza znalazła
zastosowanie przede wszystkim ze względu na zależność wielkości oddziaływań jedynie od rozmiaru cząstek
oraz właściwości mechanicznych zawiesiny. Dodatkowym atutem są niewielkie naprężenia wywoływane
w próbkach podczas manipulacji. Dominującym materiałem, z którego wykonuje się mikrofluidyczne rezonatory
akustyczne, jest krzem, ze względu na optymalne właściwości mechaniczne oraz możliwość wykonywania
struktur o równych, prostopadłych ścianach, co jest pożądane przy budowaniu rezonatorów akustycznych.
Celem pracy było przeprowadzenie prób akustoforezy w rezonatorach wykonanych ze szkła oraz
polimerów, metodą druku 3D. Szkło jest wiodącym materiałem w mikrofluidyce, jednak problematyczne jest
wykonywanie w nim struktur o pionowych ścianach. Z kolei druk 3D zyskuje rosnącą popularność
w zastosowaniach lab-on-a-chip, lecz nieznana jest jego stosowalność w akustoforezie ze względu na różnice
właściwości mechanicznych polimerów w porównaniu do krzemu i szkła.
W ramach prac zaprojektowano stanowisko do prowadzenia procesu akustoforezy. Stanowisko
umożliwiało pobudzanie wybranych chipów falami akustycznymi za pomocą przetworników piezoelektrycznych
(zakres pobudzania: 0,5 ÷ 6,0 𝑀𝐻𝑧). Obserwacja zachowania cząstek w kanale była możliwa za pomocą kamery
w układzie mikroskopowym oraz komputera z oprogramowaniem do akwizycji obrazu. W skład stanowiska
wchodził również samodzielnie zaprojektowany i wykonany wzmacniacz mocy do sterowania przetwornikiem.
Przygotowano zestaw chipów szklanych i polimerowych. Chipy szklane wykonano metodą mokrego trawienia
izotropowego, a polimerowe w technologii druku 3D. Każdy z przygotowanych chipów posiadał rezonator
akustyczny o innej geometrii. Rezonatory wypełniono wodną zawiesiną kulek polietylenowych o średnicach
1-5 µm. Rozmiarem takim charakteryzują się niektóre biomolekuły, np. komórki krwi. Chipy sprzężono
z przetwornikami piezoelektrycznymi warstwą glicerolu.
Przeprowadzono testy wszystkich przygotowanych rezonatorów. Testy opierały się na jakościowej
ocenie zachodzenia zjawiska akustoforezy, a później na próbach parametryzacji procesu. Zbadano zależność od:
geometrii rezonatora, częstotliwości pobudzania, mocy sterującej przetwornik oraz parametrów materiałowych
przetwornika.
Udało się z powodzeniem przeprowadzić akustoforezę w części przygotowanych rezonatorów.
Zaobserwowano silną zależność efektywności procesu od częstotliwości pobudzania. Kluczowa dla efektywnego
procesu okazała się również geometria rezonatora – szerokość zgodna z częstotliwością rezonansową
przetwornika piezoelektrycznego oraz ściany boczne o dużym nachyleniu względem dna. Zaobserwowano także
reakcję kulek na pobudzanie falami akustycznymi w rezonatorze polimerowym.
opiekun pracy inżynierskiej: dr inż. Wojciech Kubicki
Zakład Mikroinżynierii i Fotowoltaiki
Wrocław, 27 stycznia 2017