Oddelek za fiziko

Seminar Ia - 1. letnik II. stopnja

Mikrofluidika

Avtor: Luka Pirker

Mentor: Asist. Dr. Natan Osterman

Ljubljana, Februar 2014

Povzetek

V seminarju bom predstavil osnovne koncepte mikrofluidike, njihovo fizikalno ozadje ternaprave s katerimi se mikrofluidika ukvarja. Opisal bom izdelavo ter nekatere aplikacije mikroflu-idicnih vezij.

Vsebina

1 Uvod 1

2 Osnovna nacela mikrofluidike 12.1 Laminarni tok, Reynoldsovo stevilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Pecletovo stevilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 Pasivni gradniki mikrofluidicnih sistemov 33.1 T senzor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2 H filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3 Mikromesalci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Aktivni gradniki mikrofluidicnih sistemov 54.1 Tlacne crpalke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2 Elektroosmotska crpalka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3 Termo-viskozna crpalka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.4 Magnetohidrodinamicna (MHD) crpalka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5 Izdelava mikrofluidicnih sistemov 8

6 Primeri mikrofluidicnih vezij in njihova uporaba 96.1 Mikroreaktorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.2 Locevanje delcev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.3 Laboratorij na cipu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7 Zakljucek 11

1 Uvod

Mikrofluidika je veja znanosti, ki se ukvarja z razvojem mikrofluidicnih sistemov in razumevanjemobnasanja tekocin na mikro skali. S pomocjo kanalov velikosti od deset do nekaj sto mikrometrovlahko s tehnologijami in sistemi mikrofluidike manipuliramo zelo majhne kolicine tekocin od 10−9

do 10−18 litra [1,2]. Zmoznost manipulacije tekocin predstavlja prihodnost kemijskih in bioloskihanaliz. S pomocjo mikrofluidike lahko izvedemo mnogo eksperimentov vzporedno in v krajsem casu,kot bi ga porabili v navadnem laboratoriju. Zaradi manjse porabe reagentov so eksperimenti cenejsiin z manj odpadki. Glavne aplikacije mikrofluidike zasledimo v kemiji, medicini, biologiji, farmacijiin fiziki. V mikrofluidiki se tekocina obnasa drugace kot smo navajeni, saj so tokovi laminarni inse tekocina mesa le z difuzijo.

2 Osnovna nacela mikrofluidike

2.1 Laminarni tok, Reynoldsovo stevilo

Podobno kot za trda telesa velja tudi za tekocine Newtonova enacba, vendar v drugacni obliki.Gibanje viskoznih, nestisljivih tekocin opisemo s kontinuumsko razlicico Newtonove enacbe, imen-ovano Navier-Stokesova enacba:

1

ρ(∂v

∂t+ (v · ∇)v)

)= −∇p+ η∆v + f, (1)

kjer je ρ gostota tekocine, v hitrost tekocine, f gostota zunanjih sil, p tlak, η dinamicna viskoznost.Pri racunanju moramo vedno upostevati tudi kontinuitetno enacbo:

∂ρ

∂t+∇ · (ρv) = 0. (2)

Reynoldsovo stevilo je definirano kot

Re =vL

ν, (3)

kjer je v povprecna hitrost tekocine, L karakteristicna velikost ovire, ν pa kinematicna viskoznost,ki je definirana kot η/ρ. Reynoldsovo stevilo lahko interpretiramo tudi kot razmerje med vztra-jnostnimi in viskoznimi silami,

Re =Fvztraj.

Fviskozne. (4)

Sedaj lahko ocenimo velikostni red Reynoldsovega stevila. Velikost tipicnega mikrokanala je med10 in 100 µm, v njem se tekocina pretaka s hitrostjo od 1 µm/s do 1 cm/s. Ce za primer vzamemovodo z gostoto 1000 kg/m3 in viskoznostjo 10−3 kg/ms, lahko hitro ugotovimo, da se Reynoldsovostevilo giblje med 10−6 in 10. To nam pove, da je gibanje tekocin v mikrofluidiki laminarno inne turbulentno. Turbulenca se pojavi sele pri Re ≈ 2300. V primeru makroskopskih tokov jeReynoldsovo stevilo ≈ 105, zato je tok mocno turbulenten. Nelinearne pojave lahko opazimo priostrih zavojih kanalov, kar lahko izkoristimo za mesanje raztopin. Zaradi laminarnega toka jetransport tekocin v mikrokanalih veliko bolj predvidljiv kot v makroskopskih.

2.2 Pecletovo stevilo

Na makroskopskem nivoju je tok tekocine obicajno turbulenten, kar pomeni, da se delci v tekocinigibljejo kaoticno in se hitro ter enakomerno porazdelijo po prostornini. Na mikroskopskem nivojuje tok laminaren, zato se delci mesajo predvsem zaradi difuzijskih procesov.Naj se dve razlicni tekocini srecata v mikrokanalu. Zanima nas pot, ki jo morata tekocini opraviti,da se pomesata. Cas, v katerem se molekule razsirijo cez sirino kanala, ocenimo na τ ≈ L2/D,kjer je L sirina kanala, D pa difuzijski koeficient. Tekocina se v tem casu premakne za z ≈ vL2/Dvzdolz mikrokanala, kjer je v hitrost tekocine. Razmerje med z in L nam definira Pecletovo stevilo:

Pe =vL

D. (5)

Pecletovo stevilo je brezdimenzijska kolicina, ki predstavlja razmerje med dolzino sistema in difuz-ijsko razdaljo. Veliko Pecletovo stevilo, Pe�1, pomeni da je difuzijska razdalja mnogo krajsa odkarakteristicne dolzine. V laminarnem toku so zato pri stiku dveh tekocin velike razlike v njunihkoncentracijah. Za izenacitev koncentracije je potrebno mesanje. Delci v rezimu Pe�1 se pomesajomnogo hitreje od delcev v rezimu Pe�1. Pecletovo stevilo nam torej pove, koliksno pot mora pre-potovati raztopina, da delci difundirajo na celotno sirino kanala. Izkaze se, da se cona, kjer pridedo mesanja, siri s korenom oddaljenosti od prvega srecanja obeh raztopin, kar lahko zapisemo kot:

2

δ(z) ∝(Dzv

)1/2, (6)

kjer je δ sirina cone, z pa razdalja vzdolz mikrokanala.

Slika 1: Mesanje dveh tekocin z difuzijo. Rumena barva predstavlja obmocje, kjer sta se tekocinizmesali. [2]

3 Pasivni gradniki mikrofluidicnih sistemov

Poleg mikrokanalov, ki so tipicno dolgi od nekaj 100 µm do nekaj cm, sestavljajo mikrofluidicnovezje mikrorezervoarji ter tako imenovani T senzorji in H filtri.

3.1 T senzor

V T senzorju se dva kanala zdruzita v enega (slika 1), pri cemer se snovi ne zmesata takoj, temvecmolekule ene raztopine difundirajo v drugo. T senzor uporabljamo za merjenje difuzijske konstante,koncentracij raztopin in opazovanje kemijskih reakcij. Pri opazovanju obicajno uporabljamo fluores-cenco. Pri kemijski reakciji ali spremembi koncentracije se intenziteta izsevane svetlobe spremeni.

3.2 H filter

H filter je postavitev mikrokanalov, v kateri lahko locimo delce po velikosti brez membrane.Podobno kot pri T senzorju se dva mikrokanala zdruzita v enega po katerem teceta dva tokova raz-topin razlicnih snovi. Vzemimo, da je ena raztopina mesanica delcev razlicnih velikosti. Razlicnoveliki delci imajo razlicno difuzijsko konstanto in po enacbi (5) tudi razlicno Pecletovo stevilo. Dabo Pecletovo stevilo za ene delce veliko, za druge pa majhno, moramo za delovanje H filtra pravilnoizbrati dolzino kanala ali hitrost toka. V primeru, ki je prikazan na sliki 2b, imajo veliki delci (rdecepike) veliko Pecletovo stevilo, majhni delci (modro obmocje) pa majhno. S pomocjo difuzije se delciz majhnim Pecletovim stevilom razsirijo na celotno sirino mikrokala v H senzorju, veliki delci paostanejo na svoji polovici. Na koncu se mikrokanal ponovno razdvoji. V prvem delu ostanejo samo

3

mali delci, v drugem pa mesanica velikih in malih.Koncentracija delcev Ci se vzdolz kanala spreminja kot:

Ci(x, z) = Ci,0

[xsd

+2

πsin(πxsd

)exp

(− π2

d

z

Pe

)cos(πx

d

)], (7)

kjer je d sirina kanala, z koordianta vzdolz mikrokanala, x koordinata pravokotna na mikrokanal,Ci,0 zacetna koncentracija delcev, xs pa tocka, kjer se mikrokanala srecata. Clen (Ci,0 xs)/d pred-stavlja povprecno koncentracijo delcev v neskoncno dolgem mikrokanalu. Iz enacbe je razvidno,da bodo delci z vecjim Pecletovim stevilom pocasneje difundirali na celotno sirino mikrokanala,kot delci z manjsim. Za delce velikost ≈ 1 nm je difuzijska konstanta D ≈ 200 10−12 m2/s, delcivelikosti ≈ 1 µm pa imajo difuzijsko konstanto ≈ 0,2 10−12 m2/s. V mikrokanalu sirine 100 µm vkaterem je hitrost tekocine 10 µm/s je Pecletovo stevilo za manjse delce 5, za vecje pa 5000 [2]. Kerje odvisnost od Pecletovega stevila eksponentna, bomo take delce lahko locili s pomocjo H filtra.S pravo izbiro dolzine mikrokanala lahko dosezemo tudi 99% povprecne koncentracije dolocenihdelcev v izhodnem mikrokanalu, delez nezazelenih delcev pa je zanemarljivo majhen [16]. H filterdeluje le za delce z razlicnimi difuzijskimi koeficienti. Ce sta difuzijska koeficienta delcev podobna,H filtra ne moremo uporabiti.

(a) (b)

Slika 2: (a) H filter. [16] (b) H filter. Rdece pike predstavljajo delce z velikim Pe, modro obmocjepa delce z malim Pe. [1]

3.3 Mikromesalci

Najenostavnejsi mikromesalec je T senzor, ki pa ni zelo ucinkovit, saj pride do mesanja le zaradidifuzije. Ucinkovitost mu lahko povecamo, ce ga podaljsamo in kanal zavijemo in dodamo ovire,ki povzrocijo nelinearne pojave (slika 3b). V zavoju se pojavijo kotni vrtinci, ki so posledicacentrifugalnih in viskoznih sil.Poleg pasivnih obstajajo tudi aktivni mikromesalci, ki s pomocjo crpalk posiljajo valove skozitekocino ali pa izmenicno spuscajo razlicne raztopine, ki se zaradi difuzije prej premesajo v vzdolzni

4

smeri. Primer takega mikromesalca je mehurcni mikromesalec. Zaradi zunanjega elektricnega poljamehurcek pricne oscilirati, pri cemer se ustvari tok, ki delce premesa (slika 3a).

Slika 3: a) Mehurcni mikromesalec. [5] b) Mesanje v zavitem mikrokanalu. [7]

4 Aktivni gradniki mikrofluidicnih sistemov

Obstaja veliko nacinov, kako poganjati tekocino po mikrofluidicnem vezju. Lahko jo poganjamos pomocjo makroskopskih crpalk ali laserjev, vendar te naprave ponavadi omejujejo prenosnostmikrofluidicnega vezja. Zazeleno je, da bi ze samo mikrofluidicno vezje vsebovalo komponente, skaterimi bi lahko nadzirali tok.

4.1 Tlacne crpalke

Tlacno razliko lahko povzrocimo z navadno makroskopsko crpalko, brizgo, z membranami ali zvisinsko razliko med dvema odprtima rezervoarjema. Da v mikrokanalu pricne teci tok, je potrebnoustvariti tlacno razliko ∆p ≈ 1 kPa [4]. Predpostavimo, da se tekocina ob steni ne premika, torej jenjena hitrost enaka nic. Predpostavimo se, da ima hitrost komponento samo vzdolz mikrokanala,torej komponento z, in da je od casa neodvisna. Enacba (1) se reducira na:

0 = −∂p∂z

+ η∇2⊥vz. (8)

Resitev te enacbe je parabolicni hitrostni profil, prikazan na sliki 4a:

vz(r) = − 1

4η

∂p

∂z(h2 − r2), (9)

kjer je h enak polovici debeline mikrokanala.

Ker zelimo, da je nase mikrofluidicno vezje kar se da majhno, so v tem primeru najbolj zazelenemembranske mikrocrpalke. Vecina membranskih mikrocrpalk deluje na podlagi periodicno se gibajocemembrane, ki potiska tekocino. To lahko dosezemo s prikljucitvijo kosa piezoelektrika na membrano,ki se s spreminjanjem napetosti krci in siri. Skupaj z dvema polprepustnima ventiloma lahko takacrpalka ustvari pretok ≈ 260 µl/s in tlacno razliko ∆pmax = 10 kPa [4].

5

(a) (b)

Slika 4: (a) Parabolicni hitrostni profil. [8] (b) Membranska crpalka. [4]

4.2 Elektroosmotska crpalka

Crpalke, ki delujejo na principu spremembe tlaka, velikokrat potrebujejo komponente, ki se pre-mikajo kot na primer membrane in polprepustni ventili. Izdelava teh komponent je zapletena, sotudi nagnjene k okvaram. Ena od alternativ je elektroosmotska crpalka.Vecina povrsin v stiku s polarnimi raztopinami pridobi povrsinski naboj. Obmocje na stiku medtekocino in trdno snovjo, kjer se nabere naboj, je znano kot elektricna dvojna plast (electricaldouble layer). Ko tako snov postavimo v elektricno polje, ki kaze v smeri mikrokanala, se tekocinapricne premikati. Elektricno polje povzroci, da se nabiti del tekocine ob steni pricne premikati,ta pa preko viskoznih sil prenese to gibanje na preostali del tekocine. Zanimivo je, da je hitrostniprofil enak cez celoten mikrokanal, kot kaze slika 5.V enacbo (1) za gostoto zunanjih sil vstavimo ρeE in dobimo:

ρ(∂v

∂t+ (v · ∇)v)

)= −∇p+ η∆v + ρeE, (10)

kjer je ρe lokalna gostota naboja, E pa zunanje elektricno polje. Ker je ρe povsod enaka, jo zapisemokot:

ρe = −εε0k2ζE, (11)

kjer je k Deby-Hucklov parameter in ζ elektricni potencial v elektricni dvojni plasti. Ob pred-postavki, da je gibanje stacionarno, da je Re�1, da tekocina ob steni miruje, se enacba (8) poenos-tavi v obliko:

0 = µ∆v − εε0k2ζE. (12)

Resitev te enacbe je izraz za hitrost :

v = −εε0k2ζh2

12µE, (13)

kjer je h debelina mikrokanala. Pretok take crpalke je majhen ≈ 15 µl/s [4]. Da povecamo pretok,vzporedno vezemo mnozico crpalk.

6

Slika 5: Profil elektroosmotskega toka. [8]

4.3 Termo-viskozna crpalka

Tekocine v mikrofluidnem vezju je mogoce crpati tudi z laserjem. Laser fokusiramo tako, da segrejetekocino, nato pa segreto tocko premikamo v obratni smeri zelenega toka tekocine. Zaradi temper-aturno odvisne viskoznosti, bo pricela tekocina teci.Ko z laserjem osvetlimo del tekocine, se ta na zacetku toplega obmocja razsiri na koncu pa skrci,vendar to ne zadostuje, da bi se pojavil tok. Ker pa se s temperaturo spreminja tudi viskoznost,obicajno se ta z visjo temperaturo zmanjsa, se pojavi tudi gradient viskoznosti, zaradi katerega sepojavi tok (slika 6). Z drugimi besedami bi lahko rekli, da tok ”cuti” manj trenja s stranicamimikrokanala, ko se premika proti topli tocki, kot takrat, ko se od nje oddaljuje.Najprej zapisemo temperaturno odvisnost gostote ρ in viskoznosti η kot:

ρ = ρ0(1− α∆T ) η = η0(1− β∆T ), (14)

kjer ja α koeficient temperaturnega raztezka definiran kot α = (1/ρ)(∂ρ/∂T ) in β temperaturnikoeficient viskoznosti definiran kot β = (1/η)(∂η/∂T ). Topla tocka se premika samo v smeri x,torej lahko spremembo temperature zapisemo kot ∆T = ∆T (x − tuspot, y), kjer je uspot hitrosttople tocke. Po krajsem racunu lahko iz enacb (1) in (2) dobimo zvezo:

u = −αβ2uspot∆T

2, (15)

kjer je u komponenta hitrosti v smeri x. Toplo tocko veckrat zapored premikamo po isti poti sfrekvenco f . Z vsakim prehodom se tekocina premakne za ∆x. Maksimalno hitrost tekocine uflowizracunamo z enacbo:

uflow = f∆x =3f

2

∫ ∞∞

(u+ uspot)dt. (16)

Ob predpostavki, da je povisanje temperature Gaussovske oblike z amplitudo ∆T 0 in sirino b,ugotovimo, da je maksimalna hitrost tekocine vzdolz mikrokanala enaka:

uflow = −3√π

4fαβb∆T 2

0 . (17)

Minus v enacbi nam pove, da je za pozitivne α in β tok tekocine obrnjen v drugo smer, kotpremikanje tople tocke. S tako crpalko lahko dosezemo tok tekocine do ≈ 100 µm/s [9]. Prednosttovrstne crpalke je v tem, da nima nobenih mehanskih delov, tok tekocine pa lahko povzrocimo

7

tudi v tekocini, ki ni omejena z mikrokanali. Zaradi velikosti laserja se prenosnost naprave znatnozmanjsa. Tekocina v mikrokanalih se pri taki crpalki segreje, zato je potrebno odvecno toplotoodvajati. Ce tega ne bi storili, bi se scasoma tekocina toliko segrela, da crpalka ne bi vec delovala.

Slika 6: a) Viskoznost je konstantna, toka ni. b) Viskoznost se spremeni, pojavi se tok tekocine. c)Tekocina tece po doloceni poti tudi brez mikrokanalov. [9]

4.4 Magnetohidrodinamicna (MHD) crpalka

V prevodni tekocini lahko za crpanje uporabimo MHD crpalko. V precni smeri mikrokanala vz-postavimo elektricno polje, ki v tekocini pozene elektricni tok. Gostoto elektricnega toka J zapisemokot:

J = σE, (18)

kjer je E elekticno polje, σ pa prevodnost tekocine. Pravokotno na elektricno polje ustvarimomagnetno polje tako, da se bodo delci premikali vzdolz mikrokanala. Na nabite delce pricne delovatiLorenzova sila in tekocina se pricne premikati. Sila je odvisna od velikosti magnetnega polja,elektricnega toka in sirine kanala. Tekocina se premika zaradi spremembe tlaka:

∆p = JyBxL, (19)

kjer je ∆p sprememba tlaka, Jy komponenta gostote elektricnega toka, Bx komponenta magnetnegapolja, L pa dolzina mikrokanala na katerem je aktivno crpanje. Ker smo z dolzinami mikrokanalovomejeni na nekaj cm, magnetna polja vecja od 1T pa tezko ustvarimo, spremembo tlaka reguliramopredvsem z velikostjo elektricnega polja. Pri tem moramo paziti, da elektricni tok ne povzrocivrenja v tekocini. Prevodnost tekocin je veliko manjsa kot prevodnost kovin. Slana voda ima σ ≈5, medtem ko je prevodnost bakra ≈ 107 [4].

5 Izdelava mikrofluidicnih sistemov

Prve sisteme so izdelali s pomocjo jedkanja in fotolitografije [14]. Uporabili so materiale kot stasteklo in silicij, vendar je pri tovrstni izdelavi mikrokanale med seboj tezko povezati, pa se izdelavaje draga. V danasnjem casu se uporablja organske polimere, ki prenesejo temperature do 400K,kar zadosca za sterilizacijo vode. Najpogosteje se uporablja elastomer PDMS (polidimetilsiloksan),

8

Slika 7: Primer MHD crpalke. Je je gostota elektricni tok, Bm magnetno polje, FL pa Lorenzovasila. [6]

predvsem zaradi nizke cene, netoksicnosti, prozornosti v vidnem spektru, inertnosti, proznosti innepokvarljivosti.S postopkom fotolitografije izdelamo kalup, ki ga nato s postopki mehke litografije uporabljamo zaizdelavo mikrofluidicnih vezij [12]. Na cisto stekelce ali kos silicija nanesemo fotorezist, iz kateregabo izdelan kalup. Obstajata dve vrsti fotorezistov in sicer pozitivne, pri katerih z razvijanjemodstranimo osvetljene dele, ter negativne, kjer razvijalec odplakne neosvetljeni del. Za izdelavomikrofluidicnega vezja uporabimo negativni fotorezist. Fotorezist enakomerno nanesemo na cistostekelce ali silicij in ga zapecemo, da se strdi. Nato z UV svetlobo osvetlimo del, ki ga zelimoobdrzati. Po osvetlitvi fotorezist razvijemo in ga ponovno segrejemo, da se oprime povrsine. Sedajimamo negativ zelenega vezja, na katerega nato nanesemo tekoci PDMS in ga pustimo, da polimer-izira. Zatem previdno odstranimo polimerizirani model. Ta proces imenujemo mehka litografijain je prikazan na sliki 8 b). Nazadnje, s pomocjo zarenja v plazmi, na model pritrdimo krovnostekelce. Na koncu izvrtamo luknje, da povezemo mikrokanale z zunanjimi cevkami; slika 8 a).

6 Primeri mikrofluidicnih vezij in njihova uporaba

Mikrofluidicni sistemi se uporabljajo v biologiji, kemiji, farmaciji, medicini in fiziki. Mikrofluidicnovezje so prvic uporabili v inkjet printerjih, danes pa se jih uporablja kot mikroreaktorje, prenosneanalizatorje krvi, itd. [15].

6.1 Mikroreaktorji

Mikroreaktorji so mikrofluidicna vezja v katerih potekajo kemicne reakcije. Dve ali vec tekocin seloceno vbrizga v mikrokanale, kjer se zaradi difuzije zmesajo. Cas kemicne reakcije je ponavadi

9

(a) (b)

Slika 8: (a) Mikrofluidicno vezje. [1] (b) Proces mehke litografije. [12]

dolocen z dolzino mikrokanala. Mikroreaktorji imajo veliko prednosti pred obicajnimi kemicnimireaktorji, saj porabijo manj reaktantov, so cenejsi, varnejsi, ne prihaja do mehanskih okvar in soprenosljivi. Med mikroreaktorje lahko stejemo tudi mikro gorivne celice, ki pretvarjajo kemicnoenergijo v elektricno. Delujejo na principu oksidacije goriv, kot na primer vodika in alkohola.Za detekcijo reakcij na mikrometerski skali potrebujemo natancne in obcutljive tehnike detekcije.Se posebej prikladna je fluorescenca.

Slika 9: Primer mikroreaktorja. [13]

6.2 Locevanje delcev

V biologiji in medicini zelimo iz raztopin velikokrat lociti dolocene molekule ali proteine, zato jihmoramo nekako osamiti. Razlicne molekule lahko locimo glede na naboj ali velikost. To lahkostorimo tako, da raztopino razlicno velikih delcev speljemo v mikrokanal. Ti potujejo s hitrostjo vin difundirajo z difuzijsko konstanto D. V kanalu se scasoma izoblikujejo precni pasovi, v katerih se

10

nahajajo pretezno delci podobne velikosti. Na enem koncu kanala vstopa raztopina razlicno velikihdelcev, na drugem pa najprej zaznamo najmanjse delce, nato nic, nato vecje delce itd. Da dolocimovelikost delcev, lahko raztopini primesamo plasticne kroglice znanih velikosti.

6.3 Laboratorij na cipu

Laboratorij na cipu (Lab-on-a-chip) je eden od koncnih ciljev mikrofluidike. Laboratorij na cipuzdruzuje veliko kolicino komponent, ki so med seboj povezane in opravljajo tocno doloceno nalogo.Zaradi majhne velikosti mikrocipa, so analize vzorcev cenejse in hitrejse, obenem pa dostopne tudiizven laboratorijev. Proces analize je povsem avtomatiziran, kar zmanjsa moznost napak. Takemikrocipe je mogoce uporabljati za kontinuirane meritve in za meritve na slabo dostopnih mestih.Nekaj takih naprav je ze izdelanih [10], za sirso uporabo pa jih je potrebno se dodelati in resitidolocene tehnicne probleme.

Slika 10: Primer laboratorija na cipu. [10]

7 Zakljucek

Podobno kot pri elektroniki tudi na podrocju mikrofluidike tezimo k minituarizaciji. Mikroelek-tronika je ze zelo razvita panoga, ki jo srecamo na vsakem koraku. Mikrofluidika je sele na zacetkurazvoja, vendar se pricakuje, da bo postala tako kot mikroelektronika del nasega vsakdana. V pri-hodnosti bodo mikrofuidicne aplikacije omogocale natancnejso analizo razlicnih molekul, bakterijin proteinov, kar bo pripomoglo k hitrejsemu in boljsemu razvoju zdravil, odkrivanju bolezni itd.Tok tekocine na mikrometerskem in makrometerskem nivoju sicer opisemo z isto Navier-Stokesovoenacbo, vendar se pri prehodu iz makro skale v mikro skalo tokovi mocno spremenijo. Zaradi lam-inarnega toka se tekocine mesajo le z difuzijo, kar ima svoje prednosti in pomanjkljivosti.Z mikrofluidicnimi napravami zelimo vzporedno izvajati veliko stevilo eksperimentov, podobno kotto delajo racunalniki. Za medicinske, kemicne, bioloske in farmacevtske analize lahko mikroflu-idicne naprave uporabljamo na mestu samem in ne v oddaljenem laboratoriju. Postopki so cenejsi,hitrejsi in zmanjsajo moznost napak.

11

Literatura

[1] G.M. Whitesides : The origins and the future of microfluidics, Nature, Vol. 442, (2006)

[2] T.M. Squires, S.R. Quake: Microfluidics: Fluid Physics at the nanoliter scale, Reviews ofModern Physics, Vol. 77, (2005)

[3] Pal R. et.al.: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyses, LabChip, Vol. 5, 139-173, (2005)

[4] D.J. Laser, J.G. Santiago: A review of micropumps, Journal of Micromechanics and Micro-engineering, Vol. 14, (2004)

[5] J.H. Lee et.al.: Mobile oscillating bubble actuated by AC-electrowetting-on-dielectric (EWOD)for microfluidic mixing enhancement, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 182, (2012)

[6] I. Dolezel, V. Kotlan, B. Ulrych: Magnetohydrodynamic pumps for molten salts in coolingloops of high-temperature nuclear reactors, Przeglad Elektrotechniczny, Vol. 87, (2005)

[7] A.S. Kane et.al.: Microfluidic Mixers for the Investigation of Protein Folding Using Syn-chrotron Radiation Circular Dichroism Spectroscopy, Analytical Chemistry, Vol. 80, (2008)

[8] P.Y. Huang: Electro-Osmotic Mixing in Microchannels, Sc.M. Thesis, Brown University, (2002)

[9] F.M. Weinert, D. Braun: Optically driven fluid flow along arbitrary microscale patterns usingthermoviscous expansion, Journal of Applied Physics, Vol. 104, (2008)

[10] R. Pal et.al.: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyses, Labon a chip, Vol. 5, (2005)

[11] Y. Fainma et.al., Optofluidics: Fundamentals, Devices, and Application, McGraw Hill Profes-sional, USA, (2010)

[12] http://www.nanoterra.com/soft lithography.asp (28.1.2014)

[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Microreactor (28.1.2014)

[14] http://en.wikipedia.org/wiki/Lab on a chip (28.1.2014)

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Inkjet printing (28.1.2014)

[16] M.H. Roll et.al.: Optimal design of a microfabricated diffusion-based extraction device, ASMEJournal of Dynamic Systems Measurement and Control, Vol. 59, (1996)

[17] H. Fellouahl et.al.: Detection of the onset of Dean instability and effects of the rheologicalbehavior in non-Newotonian fluids, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 137, (2008)

12