INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI PONAVLJANJE - fkit.unizg.hr · Organske solarne ćelije. Primjeri kemijskih integriranih sustava “u primjeni”! definicija • Allen J. Bard, Integrated

INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI

PONAVLJANJE

Ivana Murković Steinberg

Sadržaj i struktura kolegija

I.2

Uvod u IKS Gradivni blokovi i tehnike izgradnje IKS-a Minijaturizacija & mikrofluidički čipovi

P1- Uvod i definicije

P2- Primjeri IKS-a

P3 - Kemijski senzori i biosenzori

Seminar i-STAT

Seminar Glucose Biosensor

Seminar Wearable chemical sensors

P4- Gradivni blokovi i tehnike slaganja I dio

Funkcionalni materijali – primjeri

P5- Gradivni blokovi i tehnike slaganja II dio

Samo-slaganje molekula i materijala

P6- Gradivni blokovi i tehnike slaganje III dio

Tehnologije mikrosustava

P7- Gradivni blokovi i tehnike slaganja IV dio

Metode kemijske funkcionalizacije IKS

P8-Uvod u mikrofluidiku

P9&10- IKAS Minijaturizacija analitičkih sustava (Lab-

on-a-chip)

P11-IKSS

Mikrofluidička kemijska sinteza

(Plant-on-a-chip)

Z1 analit u krvi (klasični pristup)

Z2 i-STAT kao IKS

Z3 funkcionalni materijali za IKS

S1-S4 Virtualni Lab (Z4 lab reports)

S1 Virtual Lab Quantum Dots

S2 Virtual Lab Prussian Blue thin films

S3 Virtual Lab OLEDs

S4 Virtual Lab Solar Cells

Test 1 (pismeni međuispit – 20 bodova)

S5-S10 (20 bodova)

S5 Solar Cells (DSSC)

S6 Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)

S7 Li-ion battery

S8 (Bio)sensors

S9 Bio-microarray fabrication (DNA chip)

S10 Microsystems for drug delivery

S11-S16

S11 Microfluidic platforms

S12 Capillary driven test strips

S13 CE microfluidic chip

S14 Microfluidic immuno-sensor (T-sensor)

S15 Microfluidic synthesis of QD nanocrystals

S16 Organic synthesis on a microfluidic platform

Završni pismeni ispit (40 bodova)

Uvod u ICS P1- Uvod i definicije P2- Primjeri P3 - Kemijski senzori i biosenzori Seminar i-STAT Seminar Glucose Biosensor Z1 analit Z2 i-STAT

Usvajanje osnovnih pojmova vezanih uz funkcije, izvedbe i primjene nano i mikro integriranih kemijskih sustava (IKS) u kontekstu multidisciplinarnih područja moderne znanosti i tehnologije. Primjenom sustavnog pristupa u analizi i sintezi takvih sustava omogućiti studentima primjenu već stečenih znanja iz bliskih područja i usvajanje novih, koristeći stvarne primjere integriranih kemijskih sustava u području visokih tehnologija: ... DNA čipovi, organske solarne ćelije, organske svjetleće diode, mikrofluidički dijagnostički čipovi ...

Uvod u ICS

Cilj kolegija

• razumijevanje funkcije, izvedbe i primjene nano i mikro integriranih kemijskih sustava (IKS) u kontekstu multidisciplinarnih područja moderne znanosti i tehnologije

• High-tech procesi i proizvodi

• “Demistifikacija”

• Primjene (stvarne i SF)

• R&D trendovi

I.4

• integrirani kemijski sustav • kemijska reakcija

I.5

kemijska reakcija

• veličina gradivnih blokova sustava

I.6 Reproduced from:

•Allen J. Bard, Integrated Chemical Systems: A Chemical Approach to Nanotechnology, John Wiley & Sons Ltd., New York, 1994.

• Hijerarhijski princip izgradnje

• Gradivne jedinice (“building blocks”)

• Odnos funkcija – kemijska reakcija

Karakteristike integriranog kemijskog sustava sustava

Organske solarne ćelije

Primjeri kemijskih integriranih sustava “u primjeni”!

http://www.clearblue.com/uk/index.php

http://www.clearblue.com/uk/swfs/cctauto.html

definicija

• Allen J. Bard, Integrated Chemical Systems: A Chemical Approach to Nanotechnology, John Wiley & Sons Ltd., New York, 1994.

“Integrirani kemijski sustavi (ICSs) su heterogeni, višefazni sustavi koji se sastoje od nekoliko različitih komponenata (npr. poluvodiča, polimera, katalizatora, membrana) dizajniranih i složenih za obavljanje specifične funkcije ili za izvođenje specifičnih reakcija ili procesa.

Različite komponente često su strukturno povezane i pokazuju sinergijski učinak. Najčešće je upravo interakcija među komponentama sustava onaj parametar koji definira svojstva cijelog integriranog kemijskog sustava.”

• veličina sustava prema ovoj definiciji ograničena je na raspon od molekulskih dimenzija do nekoliko mikrometara.

I.17

•Allen J. Bard, Integrated Chemical Systems: A Chemical Approach to Nanotechnology, John Wiley & Sons Ltd., New York, 1994.

ICS

application area(s)

functional device (input-output)

functional (bio)chemical interface architecture (materials&building principles)

enabling micro and nano fabrication technologies

commercial systems

Shema 1: funkcija i izvedba ICS

• G. A. Ozin, A. C. Arsenault, Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, RSC, Cambridge, 2005.

“... kombinacijom prisupa samo-izgradnje (“self-assebly”) i

mikroproizvodnje, moguće je izvesti organizaciju i povezivanje organskih, anorganskih, polimernih kemijskih komponenata dobro definiranih funkcija u integrirane elektroničke, fotoničke, mehaničke, analitičke i kemijske sustave za buduće nanotehnologije. Motivacija za razvoj sustava crpi se iz spoznaje o kompleksnim sustavima u biologiji, fizici, inženjerstvu i kemiji, koji se temelje na principima hijerarhijske izgradnje, povezivanjem manjih jedinica u veće, prema organizaciji na višim dimenzijama. Proces konstrukcije se nastavlja dok se ne postigne najviša hijerarhijska razina strukturne kompleksnosti.

• Suštinu integriranog sustava predstavlja slaganje komponenata u arhitekturu koja izvodi određeni funkcionalni zadatak.”

Uvod u ICS P1- Uvod i definicije P2- Primjeri P3 - Kemijski senzori i biosenzori Seminar i-STAT Seminar Glucose Biosensor Z1 primjer klasične analize krvi Z2 i-STAT uređaj

22

1950’s - 1960’s

1970’s - 1980’s

1990’s - 2000’s

2010’s

Z1

Z2

SAŽETAK

Kemijski senzor je uređaj koji pretvara kemijsku informaciju (npr. koncentraciju pojedinačnog analita ili skupine analita u uzorku) u analitički koristan signal.

I.23

(BIO)RECEPTORS AND TRANSDUCTION PRINCIPLES

OPTIČKI (absorbancija, reflektancija, luminiscencija, SPR ...)

ELEKTROKEMIJSKI (potenciometrijski, voltammetrijski, CHEMFETs)

ELEKTRIČNI (MOS senzori, konduktometrijski senzori...)

MASENI (piezoelektrični, površni zvučni valovi, ...)

OSTALI ....

Enzimski sustavi

Imunološki reakcije

(antigen-antitijelo kompleksi)

Nukleinske kiseline

Jednostanični organizmi

Složeniji organizmi

Bioindikatori

Biomimetički sustavi

PRIMJERI?

25

i -STAT - SAŽETAK Volumen uzorka krvi: 20 μL Trajanje testa: 2 minute Elektrokemijski senzorski sustav: •potenciometrijski ioni i pH (ISE, ion selective electrodes) pCO2 (direktna potenciometrija), urea (enzimski) •amperometrijski (pO2, glukoza, laktat, kreatinin)

•električna vodljivost (hematokrit)

i-STAT System •ručni, prijenosni uređaj (klinički analizator) za određivanje iona, plinova, glukoze, biomarkera ... direktno u uzorku krvi

•određivanje analita se temelji na integriranim (bio)kemijskim senzorima

• potenciometrijski

• amperometrijski

• konduktometrijski

i-STAT System primjenjuje elektrokemijske pretvornike:

Potenciometrija Potenciometrijski senzori Ion-selektivne elektrode (ISE)

IS membrana sadrži ionofore koji selektivno kompleksiraju ione. Određivanje koncentracije analita –pomoću Nernstove jednadžbe.

Primjeri analita: _________________

Valinomicin – prirodni antibiotik koji selektivno kompleksira K+

http://csrg.ch.pw.edu.pl/

Voltammetrija Amperometrijski senzori: c (analita) = f (struja)

3-elektrodni sustav 1-radna 2-protuelektroda 3-referentna

Primjeri analita: kisik (Clarkov senzor), glukoza (biosenzor) ___________, __________

Leland C. Clark (1918-2005)

• BIOSENZOR ZA GLUKOZU

• Od Clarkovog (bio)senzora do glukometra

• Tri generacije glukoznog biosenzora

• Izvedba Accu-Check sustava

http://vanibala.150m.com/pdf_files/ch1_bst.pdf




Kako funkcionira Clarkov biosenzor za glukozu?

Temelji se na kisikovoj elektrodi i indirektno mjeri koncentraciju glukoze.

Uvođenjem receptorskog dijela na kisikovu elektrodu (enzimski sloj) dobiven je prvi biosenzor ...

Leland C. Clark (1918-2005)





• On a Pt electrode at +650 mV vs Ag/AgCl

• H2O2 O2 + 2H+ + 2e- +650 mV

• On a Pt electrode at -600 mV vs Ag/AgCl

• O2 + 4H+ + 4e- 2H2O -600 mV

koncentraciju glukoze moguće je indirektno mjeriti prateći redukciju kisika

ili oksidaciju vodikovog peroksida

PRIKAZANI MINIJATURIZIRANI ANALITIČKI TESTOVI (i-STAT uređaj i glukometar) NASTALI SU PRIMJENOM NAPREDNIH FUNKCIONALNIH MATERIJALA I

I METODA NANO I MIKRO PROIZVODNJE.

KOLEGIJ ĆE NAM DATI UVID U POSTUPAK MINIJATURIZACIJE

OD MATERIJALA I TEHNIKA PROZVODNJE DO DIZAJNA ŽELJENE

FUNKCIJE INTEGRIRANOG KEMIJSKOG SUSTAVA

ZAKLJUČAK

ISHODI UČENJA

Nastavna cjelina I Integrirani kemijski sustavi: definicija, primjeri, hijerarhijska izvedba Nakon uspješno savladane cjeline studenti će moći: •definirati pojam integriranog kemijskog sustava i izabrati primjere proizvoda na tržištu koji pripadaju toj skupini

•objasniti značenje odnosa kemijska interakcija-funkcija integriranog kemijskog sustava

•identificirati sličnosti i razlike između prirodnih i sintetskih integriranih (bio)kemijskih sustava

•analizirati zadani primjer integriranog kemijskog analitičkog sustava u kontekstu područja primjene i odnosa kemijska interakcija – funkcija sustava

•prepoznati funkciju, izvedbu i primjenu IKS s posebnim naglaskom na kemijske senzore i biosenzore (posebno detaljno na primjeru biosenzora za glukozu)

•objasniti i ilustrirati primjerima glavne pokretače razvoja integriranih (bio)kemijskih sustava (posebno u području biomedicinskih analitičkih i dijagnostičkih primjena)


I.36


Gradivni blokovi i tehnike izgradnje ICS P4- Gradivni blokovi i tehnike slaganja I dio Funkcionalni materijali – primjeri P5- Gradivni blokovi i tehnike slaganja II dio Samo-slaganje molekula i materijala P6- Gradivni blokovi i tehnike slaganje III dio Tehnologije mikrosustava P7- Gradivni blokovi i tehnike slaganja IV dio Metode kemijske funkcionalizacije ICS Z3 S1-S4 (Virtual Lab Presentations) S5-S10

Minijaturizacija & mikrofluidički cipovi P8-Uvod u mikrofluidiku P9&10- ICAS Minijaturizacija analitičkih sustava (Lab-on-a-chip) P11-ICSS Mikrofluidička kemijska sinteza (Plant-on-a-chip) S11-S16

Gradivni blokovi i tehnike izgradnje ICS P4- Gradivni blokovi i tehnike slaganja I dio Funkcionalni materijali – primjeri P5- Gradivni blokovi i tehnike slaganja II dio Samo-slaganje molekula i materijala P6- Gradivni blokovi i tehnike slaganje III dio Tehnologije mikrosustava P7- Gradivni blokovi i tehnike slaganja IV dio Metode kemijske funkcionalizacije ICS Z3 primjer funkcionalnog materijala S1-S4 (Virtual Lab Presentations) S5-S10

conducting polymers

quantum dots

surfactants

CdSe nanocrystals

cyclodextrins

TiO2 nanoparticles

CdS nanocrystals

Prussian blue

antibody

Nafion

ruthenium (II) complexes

molecularly imprinted polymers

enzyme

indium-tin oxide (ITO)

Co3O4 nanowires

polyaniline

valinomycin

Primjeri Z3

• MATERIJALI GRADIVNIH BLOKOVA

• odabrani primjeri - vodljivi polimeri, anorganski poluvodiči, bio-receptori, zeoliti, površinski aktivne tvari, ionofori, elektroaktivni i foto-osjetljivi centri, etc.

• uočiti vezu između osnovne kemijska struktura - molekulska razina – svojstva materijala i funkcije u zadanom integriranom kemijskom sustavu

• (structure – property relationship)

• nanomaterijali kao gradivni blokovi u ICS

• vodljivi polimeri (elektronska vodljivost)

•

II.39

poly(sodium styrene sulfonate) PSS

polyacrylic acid, PAA

• polyelectrolytes

(Nafion) • ionomer

• Elastomers Polydimethylsiloxane (PMDS)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/29/Nafion_structure.png

• polimeri – razlike i sličnosti: ionski vodiči i elektronski vodiči

polistiren sulfonat (PSS)

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Polystyrene_sulfonate.png

• Polydimethylsiloxane Z3 - PDMS

• soft litography • microfluidics

IONOFORI

Valinomicin – prirodni antibiotik koji selektivno kompleksira K+

I.42

http://molsim.ch.umist.ac.uk/structures/testvm.html

• ionofori (ionophores, ion-carriers)

Krunski eteri (crown ethers):

- stvaraju komplekse s metalnim kationima

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Crowns.png


Seminar 1 Synthesis of CdS Nanoparticles

VIRTUAL LAB

Synthesis of CdS Nanoparticles

Preparation of CdS Nanoparticles/Journal of Chemical Education

http://education.mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/CdS/full.html

http://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/Preparation_of_CdS_nanoparticles_-_Chemical_Education%5B1%5D.pdf

• quantum dots

Seminar 2

Electrochromic Prussian Blue Thin Films VIRTUAL LAB

Electrochromic Prussian Blue Thin Films

PB films on ITO electrodes, Journal of Chemical Education

http://education.mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/prussianblue/index.html

http://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/PB_films_on_ITO_electrodes%5B1%5D.pdf

ELECTROCHROMISM is ....

Seminars 3 &4

OLED & DSSC VIRTUAL LAB

S3 An Organic Light Emitting Diode S4 Titanium Dioxide Raspberry Solar Cells

http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/oLED/index.html

http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/TiO2/index.html

http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/prussianblue/index.html

Virtual Lab OLED

OLED: J Chem Education

https://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/OLED_article_J_Chem_Education%5B1%5D.pdf

Virtual Lab DSSC

Solar Energy Conversion by Dye-Sensitized Photovoltaic Cells

https://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/Solar_Energy_Conversion_by_Dye-Sensitized_Photovoltaic_Cells.pdf




from: Paul D. Beer, Philip A. Gale and David K. Smith Supramolecular Chemistry, Oxford Chemistry Primers, OUP, 2003

The Largest Synthetic Structure with Molecular Precision: Towards a Molecular Object

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.201005164

B. Zhang, R. Wepf, K. Fischer, M. Schmidt, S. Besse, P. Lindner, B. T. King, R. Sigel, P. Schurtenberger, Y. Talmon, Y. Ding, M. Kröger, A. Halperin, A. D. Schlüter, Angewandte Chemie International Edition 2011, 50, 737-740.

cca 10 nm!

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.201005164

•(Samo)-organiziranjem na molekularnoj razini bavi se supramolekulska kemija ...

• (Samo)-organiziranjem gradivnih blokova materijala različitih razina veličina i oblika, sastava, površinskih svojstava, naboja, funkcionalnosti, bavi se nanokemija ...

Pregled interakcija (LJEPILA ZA GRADIVNE BLOKOVE) odgovornih za samo-organizaciju molekula i vecih gradivnih blokova materijala u funkcionalne cjeline, dijelove integriranih kemijskih sustava.

Tradicionalno ovim se područjem bavi supramolekulska kemija... koja je prerasla u nanokemiju

Od supramolekulskih tvorevina do nanostrukturiranih materijala

• supramolekulska kemija

bavi se dizajnom i sintezom individualnih molekularnih komponenata koje se mogu “slagati” i povezivati ne-kovalentnim vezama u nove funkcionalne molekulske strukture.

Vrste međumolekulskih, ne – kovalentnih, interakcija (“ljepilo” za slaganje!)

• Elektrostatske sile (ion-ion, ion-dipol, dipol-dipol) • Vodikove veze • - slaganje • Disperzijske i indukcijske sile (van der Waalsove sile) • Hidrofobni ili solvatofobni efekti

•“Samo- slaganje” materijala

• Samo-slaganje (self-assembly) je spontano i reverzibilno organiziranje gradivnih blokova (molekule, 0D, 1D, 2D nano i mikro strukture materijala) u uređene strukture koje se drže na okupu ne - kovalentnim vezama.

•pri spontanoj organizaciji (slaganju) gradivnih blokova čije dimenzije su iznad molekularne ili makromolekularne razine, potrebno je uzeti u obzir sljedećih pet osnovnih značajki koje utječu na procese samo-izgradnje: a) sastav gradivnih blokova, njihova veličina, oblik, struktura površine b) privlačna i odbojna međudjelovanja, ravnotežne separacije c) reverzibilna asocijacija-disocijacija i/ili prilagodljivo “gibanje” blokova u sustavu, strukture najniže energije d) interakcije s otopalima, međufaznim površinama i predložcima (templates) e) dinamika gradivnih blokova, transport mase, miješanje

• pri sintezi osnovnih gradivnih blokova osim željenog kemijskog sastava potrebno je dobiti blokove ciljane veličine i oblika (monodisperznost!), s točno određenim površinskim svojstvima, nabojem, funkcijom ...

Molecular self-assembly!

• Elektrostatske sile (ion-ion, ion-dipol, dipol-dipol) • Vodikove veze • - slaganje • Disperzijske i indukcijske sile (van der Waalsove sile) • Hidrofobni ili solvatofobni efekti

Dodatne interakcije/sile odgovorne za materials self-assembly kapilarne, koloidne, elastične, električne, magnetske ...

Nano-materials self-assembly

INTERAKCIJE?

• Elektrostatske sile (ion-ion, ion-dipol, dipol-dipol)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1987/pedersen-lecture.pdf

“.... It seemed clear to me now that the sodium ion had fallen into the hole in the center of the molecule and was held there by the electrostatic attraction between its positive charge and the negative dipolar charge on the six oxygen atoms symmetrically arranged around it in the polyether ring. Tests showed that other alkali metal ions and ammonium ion behaved like the sodium ion so that, at long last, a neutral compound had been synthesized which formed stable complexes with alkali metal ions. Up to that point, no one had ever found a synthetic compound that formed stable complexes with sodium and potassium...” (C. J. Pedersen, Nobel lecture)




• Vodikove veze (Hydrogen bonds)

Samo-organizirajući slojevi (Self-assembled monolayers, SAMs)

PRIMJENA!

BIO-INSPIRED SELF-ASSEMBLY: PEPTIDIC NANOSTRUCTURES

Tobacco mosaic virus (TMV) is another form of supramolecular nanostructure, assembled from a single strand of mRNA and many copies of identical coat proteins helically organized into a rod-like shape. Single-stranded RNA is bound into the protein helix by interactions between the negatively charged nucleic acid and positive charges on the protein.

•Proces samo-organiziranja gradivnih blokova može biti potpuno spontan, usmjeravan pomoću predložaka (templates), ili vođen kemijski ili litografski definiranim uzorcima (patterns) na površini materijala, a nastale složene strukture imaju specifične funkcije za različite ciljane namjene.

PRIMJERI PRIMJENE KONCEPTA SAMO-ORGANIZACIJE U IKS (SEMINARI):

S7- Li-ion battery (Virus enabled self-assembly)

S9 - Bio-microarray (DNA chips – Affymetrix Gene Chip)

Self-Assembly at All Scales, Science 2002, GM Whitesides

http://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/Self-Assembly_at_All_Scales_Science_2002__GM_Whitesides%5B1%5D.pdf




http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/AFM_%28used%29_cantilever_in_Scanning_Electron_Microscope%2C_magnification_1000x.JPG

• TEHNIKE IZVEDBE ICS

II.69

Klasične tehnologije izrade mikrosustava

(razvijen iz područja inženjerstva i fizike)

POLUVODIČKE TEHNOLOGIJE (PLANARNE)

IZRADA MIKRO-MEHANIČKIH 3-D STRUKTURA

Kemijski pristup (Soft chemical aproach) Samo-slaganje gradivnih blokova materijala

(Materials self-assembly)

bottom – up

top-down

INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI

II.69

70

CLEAN ROOM

•Osnovni procesi izrade mikrosustava - integriranih krugova (IC)


• POLUVODIČKE TEHNOLOGIJE (PLANARNE)

• microfabrication

• Integrated Circuits, IC

• IZRADA MIKRO-MEHANIČKIH 3-D STRUKTURA

• micromachining

• Micro-electro-mechanical systems, MEMS

• Osnovni procesi izrade mikrosustava • strukturiranje povrsine – stvaranje povrsinskih uzoraka, mustre

(PATTERNING)

FOTO-LITOGRAFIJA

II.74

FOTO-LITOGRAFIJA


KEMIJSKA FUNKCIONALIZACIJA INTEGRIRANOG SUSTAVA neki postupci ...

A. standardnim postupcima i tehnikama izrade mikrosustava (npr. foto-litografija, depozicija

filmova iz otopine (bio)kemijski modificiranih polimera, spin-coating, spray-coating, screen printing, ink-jet printing)

B. modificiranim elektrokemijskim/fotokemijskim postupcima (npr. elektrokemijska ili kemijska depozicija filma iz otopine)- primjer LAB – elektrodepozicija PB filma

C. samo-organiziranjem i slaganjem gradivnih blokova nanokemijskim pristupom (LB film, LbL self-assebly, SAMs, geometrijska kemijska modifikacija površina - litografija (soft litography)

D. kombinacijom različitih pristupa nanotehnologije

• 1. Kemijsko strukturiranje površine i kemijska (meka) litografija

• Chemical patterning and litography, Micro-contact printing – MCP

• 2. Sloj-po- sloj samo-slaganje

• Layer-by-Layer (LbL) Self-Assembly

• 3. Nano-kontaktno printanje i pisanje

• Nanocontact printing and writing (NCP)

II.77

KEMIJSKA FUNKCIONALIZACIJA INTEGRIRANIH SUSTAVA • slijedi izbor primjera novijih pristupa bliskih nanokemiji i nanotehnologijama

II.78

SOFT LITOGRAPHY (jednostavni model!)

Za ovakvu litografiju potrebno je imati: • Otopinu boje (tinta)

• Pečat (krumpir)

• Podlogu (papir)

II.78

Soft Lithography

George Whitesides, J. Mater. Chem., 7(7), 1069-1074 (1997)

• Making PDMS stamp

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pdms.png

• Micro-contact printing

PRIMJENA U BIOČIPOVIMA

2. Sloj-po- sloj samo-slaganje (Layer-by-Layer (LbL) Self-Assebly)

II.84

3. Dip-pen litography (jednostavni model!)

II.84

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Three-pens-six-nibs.jpg

Dip-pen nanolitography


Ove primjere integriranih sustava trebate detaljnije analizirati/ ponoviti seminare.

S5 Solar Cells (DSSC)

S6 Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)

S7 Li-ion battery

S8 Biosensors

S9 Bio-microarray fabrication (DNA chip)

S10 Nanosystems for drug delivery

ISHODI UČENJA

Nakon uspješno savladanog predmeta, studenti će moći: •Definirati značenje „gradivnog bloka“ u kontekstu pojma integrirani kemijski sustav

•Identificirati različite vrste „gradivnih blokova“ (molekule, supermolekule, nanostrukture) u okviru integriranog kemijskog sustava

•Povezati i ilustrirati odnos struktura – svojstvo na razini molekula, supermolekula i nanostruktura

•Identificirati osnovno svojstvo koje proizlazi iz kemijske strukture zadanog „gradivnog bloka“ i objasniti na koji način to svojstvo omogućava funkciju integriranog kemijskog sustava •Definirati pojam samo-organizacije molekula i materijala i ilustrirati ga primjerima

Nastavna cjelina II Gradivni blokovi i tehnike izgradnje integriranih kemijskih sustava

•Identificirati interakcije odgovorne za samo-organizaciju molekula i većih gradivnih blokova materijala u funkcionalne cjeline, dijelove integriranih kemijskih sustava •Razlikovati i demonstrirati primjerima top-down i bottom-up pristupe izgradnje nano i mikro integriranih sustava •Objasniti i ilustrirati ulogu tehnologija mikrosustava u razvoju integriranih elektroničkih i mikro-elektromehaničkih sustava i objasniti značenje kemijske funkcionalizacije takvih sustava •Definirati i prepoznati osnovne postupke kemijske (nano)funkcionalizacije integriranih kemijskih sustava i objasniti ih na razini molekulskih i nanokemijskih interakcija •Analizirati zadane primjere integriranih kemijskih (nano)sustava i definirati gradivne blokove i postupke njihove izgradnje


I.92




93

• MINIJATURIZACIJA SUSTAVA

(scaling laws, scale-down and scale –up)

• UVOD U MIKROFLUIDIKU • Što je mikrofluidika?

• Primjena - primjeri

• “Scaling laws” važni za mikrofluidičke primjene

• Osnovne operacije i procesi mikrofluidičkih sustava

• Izrada mikrofluidičkih struktura

• Integrirani kemijski sustavi na mikrofluidičkim platformama

• SAŽETAK

seminari S11 do S16

94

What is microfluidics? It is the science and technology of systems that process or manipulate small (10–9 to 10–18 litres) amounts of fluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres. The first applications of microfluidic technologies have been in analysis, for which they offer a number of useful capabilities: the ability to use very small quantities of samples and reagents, and to carry out separations and detections with high resolution and sensitivity; low cost; short times for analysis; and small footprints for the analytical devices. Microfluidics exploits both its most obvious characteristic — small size — and less obvious characteristics of fluids in microchannels, such as laminar flow. It offers fundamentally new capabilities in the control of concentrations of molecules in space and time.

G. M. Whitesides: The origins and the future of microfluidics - NATURE review 2006

http://www.pnna.groups.pdx.edu/Summer-2006_Fabrication_and_Characterization_of_Nanomaterials/Articles/The_origens_and_future_of_microfluidics_WHITESIDE-2006.pdf




The smaller dimensions have a further impact on analytical standard operations such as, mixing, separation and detection, because turbulent flow mixing is avoided. Thus, on the microscale, viscous forces dominate over inertial forces, leading to a laminar flow regime. Under this condition, two liquids can co-flow without turbulent mixing. Reynolds number characterizes the type of flow, and can be calculated by the following equation:

where ρ is the fluid density, rh is the hydraulic diameter of the capillary, ν is the average fluid velocity and η is the dynamic viscosity.

MIKROFLUIDIKA I LAMINARNI TOK FLUIDA

II.95

II.96

miješanje

miješanje/filtriranje

Difuzija molukula u laminarnom toku fluida u mikrokanalima omogućava sljedeće operacije:

97

• xrms - srednji slobodni put koji prijeđe molekula u vremenu t prije sljedećeg molekularnog sudara • D – difuzijska konstanta molekule

Einstein-Smoluchowski jednadžba – molekulska difuzija

PRIMJERI

H-FILTER - microfluidic device

http://faculty.washington.edu/yagerp/microfluidicstutorial/hfilter/hfilter/hfilterhome.htm

The principle of the H-filter. In the center of the device, streams move in parallel, and diffusion causes equilibration of small molecules across the channel, whereas larger particles do not equilibrate during the transit time of the device. Modified streams separate at the right edge.

The root mean square distance traveled by a molecule (with molecular diffusion coefficient D) in a time interval, t, is described by the Einstein relation for molecular diffusion in solution:

http://faculty.washington.edu/yagerp/microfluidicstutorial/hfilter/hfilter/hfilterhome.htm

T-SENSOR - microfuidic device

Conceptual rendering of the operation of the T-sensor. Two fluids enter through input channels, merging at the stagnation point (sp). In the case shown here, the fluid on the right contains a diffusable analyte (grey) that spreads across the d-dimension as flow proceeds along the channel length. Typical measurements are made by fluorescence detection along the optical axis, denoted with large arrows in the y-direction.

II.100

2D solution for the diffusion of biotin (D = 340 µm2/s, left image) and albumin (D = 65µm2/s, right image) through a T-sensor. A normalized concentration of 1.0 enters at the left inlet where the velocity flow rate is 125 µm/s. Buffer enters at the right inlet at the same velocity.

T-SENSOR - microfuidic device

Mikrofluidički čip - Složeni integrirani sustavi

Kemijsko inženjerski pristup!

JEDINIČNE OPERACIJE (UNIT OPERATIONS)

Osnovne mikrofluidičke jedinične operacije integriranog mikrofluidičkog sustava (microfluidic-unit operations – MUO):

Usmjeravanje toka fluida • mikroventili (microvalves)

Transport fluida • mikropumpe (micropumps)- mehaničke i ne-mehaničke • elektro-hidrodinamičko pumpanje • elektro-osmotski tok (EOF) • ostale metode (electrowetting, primjer PANI!)

Miješanje • pasivni mikseri (mixers) • aktivni mikseri • difuzijsko

“LEGO” PRISTUP IZVEDBI MIKROFLUIDIČKIH ČIPOVA (ANALOGIJA) Kombinacijom mikrofluidičkih jediničnih operacija na jednoj od mikrofluidičkih platformi slažemo integrirani sustav za specifičnu namjenu (microfluidic-unit operations – MUO) • jednostavnost proizvodnje • fleksiblnost primjene

BASIC PLATFORMS: • CAPILARY DRIVEN TEST STRIPS • MICROFLUIDIC LARGE SCALE INTEGRATION • CENTRIFUGAL MICROFLUIDICS • ELECROKINETIC PLATFORMS • DROPLET BASED MICROFLUIDIC PLATFORMS

Primjer imuno-testa na trakici! Clear Blue test za trudnoću

• CAPILARY DRIVEN TEST STRIPS

TEST ZA TRUDNOĆU

• MICROFLUIDIC LARGE SCALE INTEGRATION (LSI)

Based on the high elasticity of PDMS, the basic microfluidic unit operation is a valve which is made of a planar glass substrate and two layers of PDMS on top of each other. The lower elastomer layer contains the fluidic ducts and the upper elastomer layer features pneumatic control channels. To make a microfluidic valve, a pneumatic control channel crosses a fluidic duct as depicted in Fig. 2, left. A pressure p applied to the control channel squeezes the elastomer into the lower layer, where it blocks the liquid flow. Because of the small size of this valve, of the order of 100 × 100 μm2, a single integrated fluidic circuit can accommodate thousands of valves. Compared with the development in microelectronics, this approach is called microfluidic large scale integration, LSI.

• CENTRIFUGAL MICROFLUIDICS

Gyros - Gyros immunoassay platform

http://www.gyros.com/en/products/immunoassay_platform/index.html




2100 Electrophoresis Bioanalyzer launched in 1999 by Agilent.

Primjer elektrokinetičke mikrofluidičke platforme u komercijalnoj primjeni ... kapilarna elektroforeza na čipu:

... dependance on chemical factors in the system!

Transport fluida

•elektro-osmotski tok (EOF)

113

Transport fluida •elektro-osmotski tok (EOF) – zeta potencijal

1. Silanolne grupe disociraju i stvaraju negativne naboje na površini kanala 2. Kationi iz otopine dolaze u na granicu faza stvarajući fiksni i mobilni sloj 3. Primjenom električnog polja mobilni solvatizirani kationi se kreći prema katodi 4. Prilikom migracije povlače sa sobom i molekule otopala i na taj način stvara se EOF

1.

2.

114

Transport fluida •elektro-osmotski tok (EOF)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/8/8b/Capillarywall.gif

• DROPLET BASED MICROFLUIDIC PLATFORMS The principal idea behind droplet based or digital microfluidic systems is the use of single droplets as reaction confinements for biological assays or chemical reactions. Dominant interfacial and surface tensional forces in the micro-dimension enable the precise generation and spatial stabilization of these droplets. The channel based systems are mostly pressure driven with the droplet generation and manipulation relying on actuation via liquid flows within closed microchannels.



• Pregled razvoja minijaturiziranih sustava u analitičkoj kemiji

II.120

Što se zbiva s difuzijskim vremenom i gustoćom informacija prilikom minijaturizacije?

II.120

Table 1.1 summarizes the basic characteristics of devices at three different sizes: 1 mm, 100 μm and 10 μm. The corresponding volumes associated with these typical lengths clearly decrease, with values of 1 μL, 1 nL, and 1 pL, respectively; as do the number of molecules for a particular concentration of the flowing solution. Thus, as the time that a molecule needs to travel a length d decreases with d2, for a small molecule (diffusion coefficient 10-9 m2/s), this results in diffusion times decreasing with the typical length of the device (Table 1.1). For instance, diffusion time is only 100 ms for devices of a typical length of 10 μm. More important are the three final parameters in Table 1.1. Thus, for instance, as the number of units that can be arranged on a given surface increases with 1/d2, for a typical length of 10 μm, 2.5 · 105 devices/cm2 (250 000 units) can theoretically be integrated per cm2.

adapted from

•A. Rios, A. Escarpa, B. Simonet, Miniaturization of Analytical Systems: Principles, Design and Applications, Wiley, Chichester, 2009.

II.121

As the diffusion times can be related to the capacity for exchanging molecular information according to the expression:

when the number of volumes is taken into account, an information density parameter can be calculated as a function of the time and surface area, given the values shown in Table 1.1. These values theoretically increase with the fourth power of d. This is a critical aspect, because it is the basis of the high-throughput capability which characterizes miniaturized analytical systems.

II.122

• High information densities will be useful in the evaluation of the millions of compounds produced by combinatorial chemistries, or in speeding up clinical DNA diagnostics.

II.123

PRIMJER GeneChip

• TEHNIKE IZVEDBE IKS-a


(pristup blizak područjima inženjerstva i fizike)

POLUVODIČKE TEHNOLOGIJE (PLANARNE)

IZRADA MIKRO-MEHANIČKIH 3-D STRUKTURA

Kemijski pristup (Soft chemical aproach)

Samo-slaganje gradivnih blokova (molekula i nanomaterijala)

(Materials self-assembly)

bottom – up

top-down

MIKRO I NANO INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI

P5

P7

P6



• Kemijska sinteza – scale up, scale-down and scale-out

reproducirano iz:

• F. A. Gomez (Editor), Biological Applications of Microfluidics, John Wiley & Sons, New Jersey, 2008.

• Kemijska sinteza – scale up, scale-down and scale-out

reproducirano iz:

• F. A. Gomez (Editor), Biological Applications of Microfluidics, John Wiley & Sons, New Jersey, 2008.

In the past few years, continuous-flow reactors with channel dimensions in the micro- or millimeter region have found widespread application in organic synthesis. The characteristic properties of these reactors are their exceptionally fast heat and mass transfer. In microstructured devices of this type, virtually instantaneous mixing can be achieved for all but the fastest reactions. Similarly, the accumulation of heat, formation of hot spots, and dangers of thermal runaways can be prevented. As a result of the small reactor volumes, the overall safety of the process is ignificantly improved, even when harsh reaction conditions are used. Thus, microreactor technology offers a unique way to perform ultrafast, exothermic reactions, and allows the execution of reactions which proceed via highly unstable or even explosive intermediates.

https://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/Continuous-Flow_Technology-A_Tool_for_the_Safe_Manufacturing_of_Active_Pharamaceutical_Ingredients.pdf






III.132

• Prednosti sinteze u mikroreaktorima

•Učinkovit prijenos tvari i energije

•Razvoj potpuno novih rekacijskih mehanizama – brza optimizacija reakcijskih parametara

•Bolja kontrola reakcijskih parametara (hazardous reactions)

•Sinteza analitički čistih spojeva

•Integracija senzora i sustava za vođenje procesa



Nastavna cjelina III Minijaturizacija i mikrofluidičke platforme u analitičkim i sintetičkim integriranim kemijskim sustavima Nakon uspješno savladane cjeline studenti će moći: •objasniti značenje i posljedice koncepta minijaturizacije na pojam gustoće informacija

•opisati posljedice zakona umanjivanja na tok fluida u mikrofluidičkim kanalima; laminarni tok i utjecaj na miješanje

•objasniti načela rada mikrofluidičkih H-filtera i T-senzora

•ilustrirati koncepte minijaturizacije na primjerima različitih mikrofluidičkih platformi u primjeni (DNA čipovi, Lab-on-a chip platforme, micro-TAS)

•usporediti analitičke i sintetičke mikrofluidičke platforme i definirati poboljšanja

nastala kao posljedice minijaturizacije

ISHODI UČENJA

ISHODI UČENJA na razini cijelog kolegija

Nakon uspješno savladanog predmeta, studenti će moći: •definirati funkcije, izvedbe i primjene nano- i mikro-integriranih kemijskih sustava (IKS) u kontekstu multidisciplinarnih područja moderne znanosti i tehnologije

•identificirati osnovne dijelove konkretnih integriranih kemijskih sustava (hijerarhijski pristup) i analizirati njihovu kemijsku funkciju, izvedbu i područje primjene

•objasniti ulogu i posljedice koncepta minijaturizacije i primjenu tehnologija mikrosustava u razvoju integriranih kemijskih sustava

•osmisliti integrirani kemijski sustav zadane funkcije koristeći odabrane gradivne blokove (od molekula do funkcionalnih nanostruktura) i definirati odgovarajuće kemijsko-fizikalne interakcije

•procijeniti potencijal predloženog koncepta integriranog kemijskog sustava za realnu primjenu u kontekstu dostupnih znanstveno-istraživačkih spoznaja

ISHODI UČENJA KOLEGIJA na razini studijskog programa Nakon uspješno savladanog predmeta, studenti će moći: •prepoznati važnost i primjenu znanja iz područja primijenjene kemije u razvoju nano i mikro integriranih kemijskih sustava

•razumijeti multidisciplinarnost i primjeniti sustavni pristup u razvoju i primjeni integriranih kemijskih sustava

•primjeniti znanja iz područja nanotehnologije i nanokemije u analizi postojećih integriranih sustava i predlagati nove sustave zadanih funkcija za određene namjene

•pretraživati i analizirati znanstvene publikacije na engleskom jeziku i sažeto i kritički ih prezentirati stručnoj publici, samostalno i u timu

Documents

INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI PONAVLJANJE - fkit.unizg.hr · Organske solarne ćelije. Primjeri kemijskih integriranih sustava “u primjeni”! definicija • Allen J. Bard, Integrated