ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE LABORATORIUM. Ćwiczenie nr 2 DOZOWANIE MIKRO- I NANOOBJĘTOŚCI Z DETEKCJĄ KONDUKTOMETRYCZNĄ

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE LABORATORIUM Ćwiczenie nr 2 DOZOWANIE MIKRO- I NANOOBJĘTOŚCI Z DETEKCJĄ KONDUKTOMETRYCZNĄ Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i warunkami poprawnego działania miniaturowego, wielozaworowego dozownika zintegrowanego z mikrodetektorem konduktometrycznym. Mikrodetektor konduktometryczny wraz z dozownikiem został opracowany w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki w ramach pracy dyplomowej magisterskiej. Zadaniem mikrodozownika jest precyzyjne wstrzyknięcie badanej próbki o objętości 5 mikrolitrów do cieczy nośnej (np. wody dejonizowanej). Analiza odpowiedzi mikrodetektora pozwala określić rodzaj i stężenie badanej substancji. Wprowadzenie: Mikrosystemy przepływowe (lab-on-a-chipy) znajdują zastosowanie w takich dziedzinach nauki i przemysłu jak farmacja, medycyna, chemia i biochemia. Dokładne dozowanie próbki o małej objętości (rzędu kilku mikrolitrów i mniejszych) jest bardzo ważne, ponieważ nawet mała zmiana w objętości dozy może wpływać niekorzystnie na dokładność analizy lub na jakość końcowego produktu reakcji chemicznej. Również w badaniach konduktometrycznych wstrzyk próbki (mikroobjętość) powinien być powtarzalny, aby można było wykonać analizę z dużą dokładnością. W celu precyzyjnego dozowania bardzo małych objętości zaprojektowano owoszklany mikrodozownik o wymiarach kilku centymetrów (rys. 1a). Dozownik sterowany jest przez zamykanie lub otwieranie zespołu mikrozaworów, metodą podania wysokiego ciśnienia powietrza (rys. 1b). Opracowany w laboratorium MEMSLab chip posiada układ mikrokanałów do prowadzenia przepływu cieczy nośnej i badanej próbki, membranowe zawory z membranami z folii kaptonowej oraz zintegrowany detektor konduktometryczny. Detektor ma za zadanie określić przewodność elektrolityczną badanej próbki. Na podstawie powierzchni piku przewodności i czasu retencji można określić ilość badanej substancji oraz jej rodzaj. W stanie początkowym ciecz nośna (woda dejonizowana, DI) podobnie jak badana próbka płyną swoimi kanałami. Zawory Z1, Z3 i Z5 są zamknięte, Z2, Z4 i Z6 są otwarte. W momencie przełączenia zaworów, następuje zmiana drogi przepływu DI oraz próbki. Zawory Z1, Z3 i Z5 są teraz otwarte, a zawory Z2, Z4 i Z6 zamknięte. Próbka kieruje się teraz do wylotu 3, aby nie zwiększać ciśnienia wywieranego na membranę zaworu Z2, co mogłoby spowodować przeciek przez ten zawór przy dużym ciśnieniu (ciecze są cały czas pompowane). Woda dejonizowana kierowana jest do kanału głównego próbki przez kanał 1

2 boczny. Próbka o ściśle określonej przez wymiary kanału objętości 0,5 μl zostaje przekierowana ze swojego kanału głównego do kanału z cieczą nośną i płynie w kierunku detektora. Kolejne przełączenie zaworów przywraca stan początkowy tzn. ciecz nośna DI oraz próbka płyną swoimi kanałami. Pompa 1 DI Pompa 2 KCl OUT 1 IN 1 Z 5 Z 4 Z 3 OUT 3 Z 1 OUT 2 IN 2 Z 6 Z 2 a) b) c) Rys. 1. Dozownik cieczowy typu lab-on-a-chip wraz ze zintegrowanym detektorem konduktometrycznym: a) gotowy chip, b) schemat ideowy działania dozownika, c) lab-on-a-chip zamontowany w obudowie z podłączeniami cieczowymi i gazowymi Detektor konduktometryczny składa się z mikrokanału uformowanego w podłożu owym, który jest przykryty pokrywką szklaną (bonding anodowy). Na wewnętrznej powierzchni pokrywki szklanej odwzorowano (fotolitografia) układ elektrod metalowych 2

3 górna górna (Cr/Au) (rys. 2). Zadaniem detektora ulokowanego w chipie jest wykrycie zmiany przewodności elektrolitycznej w momencie przepływu dolna badanej próbki pomiędzy mi. dolna Do badanego dozownika wbudowano jeden z dwóch wersji detektorów konduktometrycznych: 2- lub 4- elektrodowy. a) b) Rys. 2. Struktury mikrodetektorów konduktometrycznych (przekrój i widok z góry): a) wersja 2- elektrodowa, b) wersja 4-elektrodowa Ponieważ detektor 4-elektrodowy posiada stosunkowo dużą komórkę pomiarową (przestrzeń pomiędzy mi) i można nim analizować próbki o objętości większej niż 0,5 µl, w ćwiczeniu wykorzystano detektor 2-elektrodowy. Opis stanowiska: Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 3. W układzie pomiarowym do zintegrowanego dozownika, umieszczonego w specjalnej obudowie podłączone są (rys. 1c): 1) rurka doprowadzająca ciecz nośną wodę dejonizowaną (pompa nr 1, IN 1), 2) rurka doprowadzająca ciecz dozowaną roztwór KCl (pompa nr 2, IN 2), 3) przewód pneumatyczny doprowadzający sprężone powietrze sterujące pracą mikrodozownika, 4) rurka wylotowa wyprowadzająca badany roztwór oraz ciecz nośną do zbiornika na odpadki. Przyrządy: Generator drgań sinusoidalnych Instek GFG-3015, zasilacz napięcia stałego MANSON, przyrząd uniwersalny USB, pompy strzykawkowe Ascor. Układ pomiarowy detektora szeregowe połączenie rezystora R = 100 kω z detektorem i generatorem sygnału sinusoidalnego zasilamy jest napięciem o wartości 1 V i częstotliwości 1 khz. Napięcie na rezystorze 100 kω mierzone jest multimetrem (zakres VAC, pomiar z częstotliwością 2 Hz), a wyniki pomiarów zapisywane są za pomocą 3

4 odpowiedniego oprogramowania na laptopie. Prąd płynący w układzie pomiarowym detektora zależy od przewodności elektrycznej strumienia cieczy przepływającej pomiędzy mi konduktometru. Miernik napięcia podłączony do laptopa wskazuje aktualną, wartość napięcia skutecznego odkładającego się na rezystorze pomiarowym, dzięki czemu możliwe jest zaobserwowanie pików, które pojawiają się w momencie przepływu próbki KCl. Do badania właściwości detektora stosowane są wzorcowe roztwory wodne KCl o stężeniach 0,001 M, 0,01 M i 0,1 M. Przewodność właściwa dla tych roztworów wynosi odpowiednio: 147 µs/cm, 1413 µs/cm, i 12,88 ms/cm. Wstrzyk próbki realizowany jest przez odpowiednie zamykanie i otwieranie zaworów pneumatycznych sterowanych sprężonym powietrzem (objętość próbki wynosi 0,5 µl). Cieczą nośną jest woda dejonizowana (DI) o rezystywności od 0,1 do 18,2 MΩ cm (przewodności właściwej od 10 do 0,055 µs/cm). Rys. 3. Schemat układu pomiarowego Przebieg ćwiczenia: 1. Zaznajomienie się z układem pomiarowym a) Uruchomić komputer stacjonarny, użytkownik LabMed, używać katalogu Dozownik wielozaworowy. b) Włączyć zasilacz Manson, ustawić 10 V pokrętłem VOLT, kliknąć Output: on. c) Uruchomić pompy strzykawkowe Ascor. Najpierw włączamy włącznik główny, który jest na tylnej ściance pomp. Następnie włączamy włącznik On na przedniej ściance; włącza się wyświetlacz i pyta czy kontynuować? Włączamy przepływ cieczy przez przyciśnięcie przycisku YES. Na 4

5 tym etapie wybieramy szybkość przepływu cieczy przez wybranie odpowiedniej cyfry (np. 15 ml/h). Jeśli przyciśniemy No uzyskamy informacje na temat ustawionych warunków przepływu. Szybkość przepływu zmieniamy przez przyciśnięcie odpowiedniej cyfry i potwierdzenie przyciskiem YES. Zatrzymujemy przepływ cieczy przyciskając przycisk oznaczony. Pompę wyłączamy przez przyciśnięcie w czasie 3 sekund przycisku off, umieszczonego na przedniej ściance. d) Przyrząd uniwersalny Brymen Bs25x powinien być podłączony kablem USB do komputera stacjonarnego. Włączyć program Bs25x Data Logging. Przytrzymując Hold ustawić pokrętło przyrządu na pomiar napięcia zmiennego V. Kliknąć w programie ikonę Connect. Na ekranie (w lewym górnym rogu) powinna pojawić się ta sama wartość napięcia, co na multimetrze. Po kliknięciu ikony Play rozpocznie się transmisja danych. Gdyby program zgłaszał jakiś problem, proszę sprawdzić, czy multimetr jest dobrze podłączony do komputera i wybrać odpowiedni port. Zapisywane przez multimetr wyniki pomiarów napięcia są widoczne na wykresie i w tabeli. Dane można przegrać do pliku klikając ikonę Export. Należy wybrać nazwę pliku i koniecznie zakładkę All pages (aby zapisać pomiary dłuższe niż jedna strona). Zbiór z wynikami pomiarów ma rozszerzenie *.csv. Można go otworzyć w Notatniku lub Excelu. e) Na komputerze stacjonarnym uruchomić program Dozownik wielozaworowy. Na ekranie ustawić odpowiedni czas dozowania próbki oraz odstęp stand-by pomiędzy kolejnymi dozowaniami (np. 4 s/, stand by 6 s). Aby rozpocząć dozowanie kliknąć run continously. Po uruchomieniu układu pomiarowego i zamontowaniu odpowiednich strzykawek w pompach (pompa 1 KCl o danym stężeniu, pompa 2 woda DI), należy ustawić na obu pompach przepływ 15 ml/h, włączyć dozownik (czas dozowania np.: 4 s, stand by: 6 s) i poczekać kilka minut na ustabilizowanie się odpowiedzi detektora (doprowadzenia i czujnik muszą się wypełnić cieczą nośną i dozowaną próbką). Proszę zwrócić uwagę na prawidłowe połączenie strzykawek z wlotami chipa! 2. Przeprowadzenie pomiarów: a) Ustawić prędkości przepływu dla cieczy nośnej 0,1 ml/h, a dla cieczy badanej 1 ml/h (wybrać jedną z przygotowanych strzykawek z KCl np. 1 mm). Dobrać optymalny czas dozowania i odstępu pomiędzy kolejnymi dozowaniami (stand by), aby odpowiedzi detektora na dozowaną próbkę były czytelne i powtarzalne. b) Wykonać pomiary odpowiedzi detektora przy stałej objętości próbki KCl (0,5 µl) i stałym jej przepływie (1 ml/h) dla: 3 stężeń roztworu KCl: 100 mm, 10 mm, 1 mm, 3 prędkości przepływu cieczy nośnej: 0,6; 0,3; 0,1 ml/h, Uwaga: po każdej zmianie stężenia roztworu wzorcowego KCl (inna strzykawka) ustalić na obu pompach przepływ 15 ml/h i poczekać kilka minut na ustalenie się odpowiedzi detektora (wypełnienie rurek nowym roztworem KCl; powtarzalne piki). Następnie należy zmniejszyć przepływy do wartości zadanych w instrukcji. Po każdej zmianie prędkości przepływu cieczy nośnej także poczekać na ustalenie się odpowiedzi konduktometru (powtarzalne piki). 5

6 c) Wykonanie pomiaru odpowiedzi detektora dla nieznanego stężenia próbki, przy wybranych pozostałych parametrach układu. 3. Analiza wyników pomiarów: a) Wykreślić krzywą kalibracji detektora zależność sygnału wyjściowego (maksymalne napięcie piku ) od stężenia KCl (wykres liniowo-logarytmiczny). Korzystając z tej krzywej oszacować stężenie nieznanej próbki, zmierzonej w punkcie 2c). b) Określić stałą naczyńka dla zastosowanego mikrodetektora. Nie należy stosować wzoru dla konduktometrów makro, ponieważ konfiguracja elektrod mikro czujnika jest inna. Proszę przeanalizować układ pomiarowy czujnika (generator AC, czujnik, rezystor pomiarowy 100 kω, voltomierz) i znając przewodnictwo właściwe danego roztworu KCL wykorzystać wyniki pomiarów do obliczenia stałej naczynka. c) Opracować wyniki, przygotować sprawozdanie. Przykłady pytań na kartkówce: Opisać zasadę działania mikrochipa z detektorem i dozownikiem. Co to jest stała naczynka detektora konduktometrycznego i jak się ją wyznacza dla standardowego konduktometru, a jak dla mikro detektora? W jaki sposób korzystając z wykresów odpowiedzi detektora konduktometrycznego można wyznaczyć stężenie i objętość badanej próbki? Jak wygląda krzywa kalibracji detektora konduktometrycznego? Przed wykonaniem ćwiczenia proszę zapoznać się z materiałami pomocniczymi przygotowanymi do ćwiczenia. Literatura: 1. Z. Witkiewicz, J. Hetper, Chromatografia gazowa, WN-T, Warszawa Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur owych i owo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Z. Brzózka, Laboratorium analizy instrumentalnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa