WYKŁAD 12 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 12 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Mikrosystem przepływowy (mtas, Lab-on-chip) Jeden system zapewniający wszystkie niezbędne analizy dla danego rodzaju problemu Wszystkie etapy przetwarzania są wykonywane w pojedynczym chipie mikroprzepływowym (µ TAS, lab-on-chip) Nie jest wymagana interakcja użytkownika z wyjątkiem inicjowania procesu Urządzenie przenośne - analiza może być przeprowadzona w dowolnym miejscu (nie tylko w specjalnym laboratorium)

3 Mikrosystem przepływowy (mtas, Lab-on-chip) Pijanowska et al., IBIB, 2007

4 Toksyczne składniki w glebie i wodzie: - metale ciężkie, - pestycydy i środki owadobójcze... Mikrosystem przepływowy (mtas, Lab-on-chip) Analiza medyczna: - nowotwór, - choroby mikrobiologiczne, - choroby wirusowe, - analiza krwi, - analiza genów... Biodefense: - wąglik, - ptasia grypa, - jad kiełbasiany, - pleśnie i grzyby... Analiza żywności: - Analiza cukru i tłuszczu, - analiza alkoholowa, - określanie świeżości, - toksyczne składniki w jedzeniu H. Sztajer, Bioforum, 2008

5 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

6 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

7 Mikroreaktor chemiczny urządzenie do przeprowadzania reakcji chemicznych (zakres mm lub µm) MATCH-X building blocks in LTCC Source FhG IZM Mikroreaktor pozwala na precyzyjną kontrolę procesu - Reakcje silnie egzotermiczne można prowadzić izotermicznie - Selektywność reakcji jest zwiększona, ilość niepożądanych produktów jest zminimalizowana - Możliwe jest przeprowadzenie reakcji wybuchowych lub reakcji pod dużym ciśnieniem i zakresie temperatur, które powodują wiele zagrożeń w konwencjonalnych zakładach Dużą produkcję można osiągnąć, wykorzystując równolegle kilka reaktorów (wyeliminowanie kosztownego projektu nowego sprzętu, gdy produkcja zostanie przeniesiona z laboratorium do skali przemysłowej). Unika się problemu ze skalowaniem.

8 Mikroreaktor Microreactor assembly Duży współczynnik proporcji powierzchni do objętości Duża szybkość reakcji Szybkie i kompletne mieszanie użytych odczynników Wysoki współczynnik przenikania ciepła i masy Właściwy rozkład temperatury i poprawna kontrola temperatury Jednorodne środowisko Większa wydajność w porównaniu z konwencjonalnymi reaktorami chemicznymi

9 Współczynnik proporcji powierzchni (SA) do objętości (V) R.S. Besser, Tulane Engineering Forum, 2002

10 Materiały Mikroreaktory chemiczne mogą być robione ze stali, krzemu, plastiku, szkła lub ceramiki Mikroreaktory ceramiczne ze względu na wysoką stabilność termiczną i chemiczną mogą być stosowane w reakcjach, w których jest wymagana wysoka odporność termiczna i chemiczna. Są odpowiednie dla reakcji chemicznych w wysokich temperaturach i / lub z udziałem reagentów powodujących korozję.

11 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Komora reakcyjna Komora na produkty reakcji -N=CH-(CH 2 ) 3 -CH=N-Enzyme 100 mm Grzałka Próg (Bio) złoże katalityczne CO(NH 2 ) H 2 O urease CO 2 + 2NH OH - detekcja ph Modelowa reakcja: hydroliza mocznika katalizowana przez ureazę

12 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Geometria komory reakcyjnej a b 1 mm 1 mm 0 Prędkość cieczy (m s -1 ) 1.6 x Prędkość cieczy (m s -1 ) 1.6 x10-4 (a) Rozkład pola prędkości cieczy i (b) trajektorie ruchu cząstek cieczy (wyniki symulacji numerycznych dla Q = 0,2 ml/min).

13 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Geometria komory reakcyjnej a b 1 mm 1 mm 0 Prędkość cieczy (m s -1 ) 1.6 x Prędkość cieczy (m s -1 ) 1.6 x10-4 (a) Rozkład pola prędkości cieczy i (b) trajektorie ruchu cząstek cieczy (wyniki symulacji numerycznych dla Q = 0,2 ml/min).

14 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) 25 Temperatura ( o C) 39.5 Poszczególne warstwy LTCC tworzące mikroreaktor enzymatyczny Mikroreaktor enzymatyczny wykonany z ceramiki LTCC

15 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Wpływ temperatury Schemat układu pomiarowego Krzywe kalibracji dla mikroreaktora LTCC, załadowanego 3 mg ureazy unieruchomionej na powierzchni szklanych kulek, zmierzone w temperaturze 37 o C oraz 25 o C.

16 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Wpływ ilości enzymu Wpływ materiału nośnika enzymu

17 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu wsadowego) Stabilność czasowa Odpowiedz mikroreaktora enzymatycznego w pierwszym, drugim oraz osiemnastym dniu pracy

18 Cechy mikroreaktorów enzymatycznych typu wsadowego Analiza wpływu różnych czynników na aktywność enzymu Zastosowanie w systemach microtas (lab-on-a-chip) Mikroreaktory typu wsadowego: Różnorodne materiały jako podłoże enzymów Łatwe umieszczanie wsadu Łatwa kontrola aktywności enzymów

19 M. Hrovat et al., MI, 2015 Mikroreaktor katalityczny LTCC (typu wsadowego) Reformowanie metanolu CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 3H 2 Katalizator Temperatura ( o C) Wnętrze mikroreaktora Mikroreaktor z zamontowanymi portami cieczowymi Złoże katalityczne (kulki ZrO 2 + 2% wag. Pt/CeO 2 )

20 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu przepływowego) Komora na substraty Mikrokanały Komora na produkty Grzejnik Temperatura ( o C) Poszczególne folie LTCC tworzące mikroreaktor

21 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu przepływowego) Mikroreaktor przepływowy wykonany z różnych ceramik LTCC Zdjęcia SEM mikrokanałów

22 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu przepływowego) Modyfikacja chemiczna powierzchni mikrokanłów: Hydratacja (10% H 2 O 2, 10% HNO 3, 62 o C, 30 min) Silanizacja (10% aminopropylotrietoksysilanu, APTS, 80 o C, 3 h) Unieruchomienie enzymu (2,5% aldehyd glutarynowy, 4 o C, 1h)

23 Mikroreaktor enzymatyczny LTCC (typu przepływowego) Krzywe kalibracji mikroreaktora zmierzone w pierwszym, drugim, trzecim, czternastym i dwudziestym pierwszym dniu pracy Zmiany maksymalnej wartości sygnału wyjściowego dla wybranych mikroreaktorów enzymatycznych w kolejnych dniach pomiarowych

24 Mikroreaktor fotokatalityczny Mikroreaktor fotokatalityczny z ditlenkiem tytanu jako fotokatalizatorem. Oświetlany za pomocą diod emitujących światło UV. Skonstruowany i przetestowany pod kątem degradacji 4-chlorofenolu. Mikroreaktor składa się z 19 kanałów o przekroju około 200µm 300µm. Określono wydajność fotoniczną dla degradacji 4-chlorofenolu. Oświetlona powierzchnia właściwa mikroreaktora przewyższa współczynnik konwencjonalnych reaktorów fotokatalitycznych 400 razy. R. Gorges et al., Photocatalysis in microreactors, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2004

25 Mikroreaktor fotokatalityczny Reaktor fotokatalityczny κ (m 2 m 3 ) Mikroreaktor Reaktor zawiesinowy 2631 Zewnętrzny reaktor pierścieniowy 27 κ - oświetlone pole powierzchni katalizatora na jednostkę cieczy poddanej obróbce wewnątrz reaktora Degradacja 4-chlorofenolu w mikroreaktorze fotokatalitycznym dla różnych szybkości przepływu i początkowych stężeń R. Gorges et al., 2004

26 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

27 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna E E ISE ISE E E 0 0 RT ln c nf ln n i c i m j 1 K ij c n j / z E 0 potencjał standardowy elektrody (V) R uniwersalna stała gazowa (8.314 J K -1 mol -1 ) T temperatura (K) F stała Faraday a (9.648 x 10 4 C mol -1 ) K ij współczynnik selektywności elektrody czułej na jony i względem jonu j n wartościowość jonu i, na który elektroda jest czuła z wartościowość jonu przeszkadzającego j

28 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna Spód czujnika (a) 3 warstwy (b) 1 warstwa (c) 1 warstwa Wnęka na elektrodę Ag/AgCl Wnęka na hydrożel Elektroda Ag (d) 1 warstwa (e) 1 warstwa (f) 1 warstwa Fluidic channel Wnęka na membranę jonoselektywną Poszczególne warstwy LTCC tworzące mikroprzepływowy czujnik potencjometryczny

29 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna Kanał Elektroda Ag Wyprowadzenie elektrody

30 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna Etapy wytwarzania elektrody jonoselektywnej: Chlorkowanie elektrochemiczne elektrod Ag w roztworze 0.1 M KCl (+1.5 V, elektroda Pt, aż do całkowitego zaniku prądu), Nakładanie warstwy hydrożelu za pomocą mikropipety (utwardzanie światłem UV w atmosferze azotu), Nakładanie membrany jonoselektywnej (suszenie strumieniem powietrza).

31 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna Reakcja modelowa: Hydroliza mocznika katalizowana przez ureazę CO(NH 2 ) H 2 O urease CO 2 + 2NH OH -

32 Metody elektrochemiczne Detekcja potencjometryczna Czas (min) Odpowiedź dynamiczna oraz krzywa kalibracji mikroreaktora enzymatycznego zintegrowanego z czujnikiem potencjometrycznym

33 Mikrosystem przepływowy do oznaczania mocznika metodą elektrochemiczną Komora reakcyjna Komora na produkty reakcji Grzałka Próg mocznik + woda urease jony amonowe + pozostałe produkty

34 Metody elektrochemiczne Biosensor do oznaczania glukozy metodą amperometryczną Kapilara do mikrodializy Komora reakcyjna Próbka Glukoza + O 2 + H 2 O glukonolaktan + H 2 O 2 Utleniania nadtlenku wodoru na elektrodzie roboczej (WE): Anoda, WE: H 2 O 2 O 2 + 2H + + 2e -

35 Metody elektrochemiczne Biosensor do oznaczania glukozy metodą amperometryczną Elektroda pracująca (WE) Przeciwelektroda (CE) Kapilara do mikrodializy Warstwy LTCC tworzące biosensor do oznaczania glukozy Komora reakcyjna Elektroda referencyjna (RE) Model biosensora do amperometrycznego oznaczania glukozy

36 Metody elektrochemiczne Biosensor do oznaczania glukozy metodą amperometryczną Amperometryczny czujnik glukozy wykonany w ceramice LTCC Wygląd elektrody referencyjnej: (a) przed i (b) po procesie chlorkowania Zdjęcie wnętrza komory reakcyjnej po montażu kapilary do mikrodializy

37 Metody elektrochemiczne Biosensor do oznaczania glukozy metodą amperometryczną Czas [s] Zmierzone charakterystyki dla amperometrycznego czujnika LTCC: (a) odpowiedź dynamiczna oraz (b) krzywa kalibracji czujnika dla nadtlenku wodoru.

38 Dyfuzja glukozy przez kapilarę do mikrodializy 5 µl/min 10 µl/min 15 µl/min 20 µl/min

39 Biosensor do oznaczania glukozy metodą amperometryczną (porównanie z układem krzemowym) Układ testowy Roztwór testowy Zakres liniowy [mm] Czujnik krzemowy: S [na/nm] SR [mm 2 ] Nadtlenek wodoru Glukoza Powierzchnia elektrody WE 1,70 mm 2 Bufor fosforanowy Bufor fosforanowy + GOx (132 U/mL) 0 13, ,9 Czujnik LTCC: Nadtlenek wodoru Glukoza Powierzchnia elektrody WE 1,35 mm 2 Bufor fosforanowy Bufor fosforanowy + GOx (15,5 U/mL) , ,4 S - czułość SR - współczynnik czułości. Stosunek czułości czujnika na nadtlenek wodoru do czułości na glukozę w odniesieniu do powierzchni elektrody roboczej WE.

40 Metody optyczne Pomiar absorbancji/transmitancji l I 0 Próbka, c I p I I l gdzie: - molowy współczynnik absorpcji (M -1 cm -1 ) c stężenie (M) l grubość warstwy absorbującej (cm) I A log l I 0 p I U A c l log U 0 U ( c)

41 Metody optyczne Źródła światła Detektory światła Długość fali (µm) Długość fali (µm)

42 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji Zawada et al., CICMT 2006

43 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji redistilled water signal [cps] Układ pomiarowy Cu(NH 3 ) mg/ml time [min] Pomiar absorbancji dla różnych stężeń Cu(NH 3 ) 4 2+ Zawada et al., CICMT 2006

44 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji Recyrkulacja płynu w kanale przepływowym Rozkład prędkości przepływu w [m/s] (u góry) oraz tor ruchu cząstek (na dole) dla modelu z prawidłowym pozycjonowaniem mikrokanału względem światłowodu Rozkład prędkości przepływu w (m/s) (u góry) oraz tor ruchu cząstek (na dole) dla modelu z nieprawidłowym pozycjonowaniem mikrokanału względem światłowodu

45 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji Schemat mikrosystemu przepływowego do pomiaru absorbancji Rozkład prędkości przepływu w (m/s) (u góry) oraz tor ruchu cząstek (na dole)

46 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji Proces wykonywania mikrosystemu Moduły LTCC po procesie wypalania

47 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji Źródło światła: zielona dioda LED, l = 565 nm (KA-4040SGC) Czujnik światła: fotodioda z zielonym filtrem (524 nm, TSLG 257)

48 Metody optyczne Mikrosystem przepływowy do pomiaru absorbancji a) b) (a) Odpowiedź dynamiczna i (b) krzywa kalibracji mikrosystemu przepływowego (b) do pomiaru absrobancji (nadmanganian potasu, KMnO 4 ) Źródło światła: zielona dioda LED, l = 565 nm (KA-4040SGC) Czujnik światła: fotodioda z zielonym filtrem (524 nm, TSLG 257)

49 Mikrosystem przepływowy do oznaczania mocznika za pomocą pomiaru absorbancji Mikroreaktor enzymatyczny Fotodetektor Źródło światła Mikromieszalnik Kanał optyczny

50 Absorbance Mikrosystem przepływowy do oznaczania mocznika za pomocą pomiaru absorbancji Odpowiedź dynamiczna mikrosystemu Krzywa kalibracji

51 Mikrosystem przepływowy do oznaczania mocznika za pomocą pomiaru absorbancji Mikroreaktor enzymatyczny Fotodetektor Źródło światła Mikromieszalnik Kanał optyczny

52 Formowanie wtryskowe (injection moulding) Forma silikonowa Wtryskiwanie zawiesiny ceramicznej do formy Stereo- Litografia (SLA) Wypalanie Knitter, Microsystem Technologies, 2001

53 Mikroreaktor ceramiczny Modułowy mikroreaktor ceramiczny z różnorodnymi wymiennymi elementami funkcjonalnymi: elementy rozdzielacza gazu, mieszalnik statyczny, płytki nośne katalizatora i części wylotowe (obudowa reaktora ma długość 68 mm i szerokość 25 mm) R. Knitter, Microsystem Technologies 2001

54 Modułowy system mikroprzepływowy do oznaczania mocznika za pomocą pomiaru absorbancji Fotodetektor LED Kanał optyczny Światłowód Wnęka na moduł mikroprzepływowy Mikroreaktor Mikromieszalnik Grzałka Model 3D obudowy dla modułu mikroprzepływowego Model 3D modułu mikroprzepływowego do pomiaru absorbancji ciekłych próbek

55

56 Modułowy system mikroprzepływowy do oznaczania mocznika za pomocą pomiaru absorbancji - Rozdzielenie części elektronicznej i przepływowej - Możliwość stosowania różnych materiałów LTCC - Łatwa wymiana uszkodzonych modułów Moduł mikroprzepływowy wykonany z ceramiki DP951 oraz CeramTape GC

57 Metody optyczne Pomiar fluorescencji I 0 l ex ) Próbka I p I E l em ) weirdscience.eu I l ex I l ex l em l Intensywność ~ stężenie l Długość fali Skład chemiczny

58 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja komorowa) Komora na materiał biologiczny Światłowód 2 Źródło światła (UV LED) Czujnik światła Światłowód 1 10 mm Ścieżka przewodząca

59 Napięcie (mv) Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja komorowa) Zasilacz DC Wyjście Odpowiedź dynamiczna mikrosystemu dla różnych stężeń fluoresceiny (wzbudzenie 425 nm, emisja 508 nm)

60 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji Zasilacz DC (wersja komorowa) Wyjście Schemat układu pomiarowego Source:

61 Fluorescencja (j.u.) Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja przepływowa) Czas (s) Odpowiedź dynamiczna mikrosystemu na różne stężenia fluoresceiny (wzbudzenie 425 nm, emisja 508 nm)

62 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) LED Chip mikroprzepływowy Fotodetektor Obudowa dla chipu mikroprzepływowego Modele 3D chipu mikroprzepływowego do pomiaru fluorescencji oraz obudowy ze zintegrowanymi podzespołami optoelektronicznymi Fotodetektor: - 16 fotodiod - 3 filtry kolorów (460 nm, 525 nm, 635 nm) - Zintegrowany wzmacniacz - Wyjście cyfrowe (I 2 C)

63 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) Warstwy LTCC tworzące obudowę dla chipu mikroprzepływowego do pomiarów fluorescencyjnych

64 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) c) PDMS Chipy mikroprzepływowe do pomiarów fluorescencji

65 Transmitancja Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) Związki kobaltu zawarte w ceramice DP951 Długość fali (nm) Transmisja światła przez chipy mikroprzepływowe z okienkami wykonanymi z PMMA, PDMS i szkła

66 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) Fluorescencja roztworu fluoresceiny przepływającej przez chipy mikroprzepływowe LTCC

67 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) Odpowiedź dynamiczna oraz krzywa kalibracji modułowej wersji mikrosystemu do pomiarów fluorescencyjnych

68 Mikrosystem do oznaczania próbek biologicznych za pomocą pomiaru fluorescencji (wersja modułowa) Materiał Rodzaj czujnika światła Limit detekcji (fluoresceina) Autor Polimer Fotopowielacz 40 ng/ml Miyaki et al. Polimer Fotopowielacz 17 ng/ml Li et al. Krzem-szkło Spektrofluorymetr 10 ng/ml Bargiel et al. LTCC Fotodioda 20 mg/ml Czok et al. Polimer Macierz fotodiod z zewnętrznym filtrem i soczewkami 0.01 ng/ml Irawan et al. LTCC Macierz fotodiod 0.3 ng/ml Malecha

69 Metody detekcji (porównanie) Metoda Limit detekcji UV-Vis (absorbancja) Fluorescencja wzb. laserem Elektrochemiczna amperometria konduktometria Spektroskopia masowa

70 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC (podsumowanie) Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne