WYKŁAD 14 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 14 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Wykład 14 Mikrosystemy ceramiczne Układy ceramiczne do przeprowadzania reakcji polimerazy łańcuchowej (PCR) Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC

Reakcja polimerazy łańcuchowej (PCR) Nagroda Nobla z biochemii (1993) Kary B. Mullis

Reakcja polimerazy łańcuchowej (PCR) Kary B. Mullis Oryginalna sekwencja DNA PCR N kopi odpowiedniej sekwencji DNA

Reakcja polimerazy łańcuchowej (PCR)

Reakcja polimerazy łańcuchowej (PCR) Source: www.scq.ubc.ca

Urządzenia do przeprowadzania reakcji polimerazy łańcuchowej (PCR) - Powielenie DNA (termocykler, mikroreaktor) - Rozdzielenie produktów (elektroforeza) Klasyczny system PCR - Detekcja (fluorescencja)

Ceramiczne układy PCR Termocykler przepływowy Termocykler przepływowy PCR wykonany techniką LTCC Schemat przepływowego termocyklera PCR Rozkład temperatury dla termocyklera przepływowego PCR (symulacje) Chou and Sadler et al., 2003

Ceramiczne układy PCR Termocykler przepływowy Obraz w podczerwieni powierzchni termocylkera LTCC w trakcie pracy. Termocykler przepływowy podłączony do pompy perystaltycznej Porównanie wyników powielenia sekwencji DNA dla klasycznego urządzenia (2, 4) oraz miniaturowego termocyklera PCR (5) Chou and Sadler et al., 2003

Ceramiczne układy PCR Termocykler komorowy Komora na materiał DNA Grzejnik (Pt) Wylot Schemat komorowej wersji termocyklera Budniewski et al., 2004 Rozkład temperatury (w o C) w termocyklerze komorowym wykonanym z ceramiki LTCC

Ceramiczne układy PCR Termocykler komorowy 1 warstwa 1 warstwa 3 warstwy Wyprowadzenia grzejnika 5 warstw 3 warstwy Poszczególne warstwy LTCC tworzące termocykler komorowy Budniewski et al., 2004 Mikrokanał Komora reakcyjna Termocykler wykonany techniką LTCC (12 x 15 mm 2 )

Fluorescencja Ceramiczne układy PCR Układ do elektroforezy kapilarnej (CE) Przepływ hydrauliczny Czas (s) Przepływ elektroosmotyczny

Ceramiczne układy PCR Układ do elektroforezy kapilarnej (CE) Schemat układu CE Rozkład potencjału (V) w zasymulowanym układzie CE Przekrój A-A układu CE Stefanow et al., 2004

Ceramiczne układy PCR Układ do elektroforezy kapilarnej (CE) Stefanow et al., 2004

Ceramiczne układy PCR Układ do elektroforezy kapilarnej (CE) Anoda (wstrzykiwanie) Katoda (separacja) Anoda (separacja) Katoda (wstrzykiwanie) Katoda (separacja) Katoda (separacja) Katoda (wstrzykiwanie) Anoda (wstrzykiwanie) Katoda (wstrzykiwanie) Anoda (wstrzykiwanie) Anoda (separacja) Anoda (separacja)

Elektroforeza kapilarna System CE z detekcją elektrochemiczną Mikrochip LTCC: fotografia i etapy procesu wytwarzania (a), rysunek schematyczny (b) M. Goldbach et al., LTCC-based microchips for the electrochemical detection of phenolic compounds, Sensors and Actuators B 120 (2006) 346 351

Elektroforeza kapilarna System CE z detekcją elektrochemiczną Schematyczny rysunek CE. Czarne strzałki wskazują kierunek przepływu elektrolitu. M. Goldbach et al., LTCC-based microchips for the electrochemical detection of phenolic compounds, Sensors and Actuators B 120 (2006) 346 351

Elektroforeza kapilarna System CE z detekcją elektrochemiczną Przykładowy elektroforegram mieszaniny dopaminy, pirogalolu i kwasu galusowego. M. Goldbach et al., LTCC-based microchips for the electrochemical detection of phenolic compounds, Sensors and Actuators B 120 (2006) 346 351

Elektroforeza kapilarna Proces wytwarzania wielowarstwowego modułu LTCC-CE: (a) górna warstwa z powierzchnią detektora i otworami przepływowymi; (b) warstwa kanału; (c) mechaniczne warstwy nośne. Georg Fercher et al., Ceramic capillary electrophoresis chip for the measurement of inorganic ions in water samples, Analyst, 2010, 135, 965 970

Elektroforeza kapilarna Kanały (a) i topografia powierzchni z profilami chropowatości nieobrabianej (b) i strony frezowanej laserowo strony (c). Wszystkie wymiary podano w µm. Elektroforegramy (a) i liczba oddzielonych nieorganicznych kationów o stężeniu 600 mm (b) i natężeniach pola (A) 300, (B) 200 i (C) 100 V cm -1 G. Fercher et al., Ceramic capillary electrophoresis chip for the measurement of inorganic ions in water samples, Analyst, 2010, 135, 965 970

Ceramiczne układy PCR System detekcji Metoda Limit detekcji UV-Vis (absorbancja) 10-5 10-8 Fluorescencja wzb. laserem 10-7 10-9 10-8 10-12 Elektrochemiczna amperometria konduktometria 10-6 10-8 10-7 10-8 Spektroskopia masowa 10-8 10-9

Ceramiczne układy PCR System detekcji Komora na materiał DNA Grzejnik (Pt) Wylot Schemat komorowej wersji termocyklera Budniewski et al., 2004 Rozkład temperatury (w o C) w termocyklerze komorowym wykonanym z ceramiki LTCC

Ceramiczne układy PCR System detekcji Komora Okno szklane Światłowód Bembnowicz et al., 2010 Model 3D termocyklera komorowego wykonanego techniką LTCC

Bembnowicz et al., SNB, 2010 Ceramiczne układy PCR System detekcji Warstwy LTCC tworzące termocykler komorowy z kanałem na światłowód umożliwiający wzbudzenie fluorescencji próbki DNA

Ceramiczne układy PCR System detekcji Termocykler komorowy LTCC w trakcie pracy (widoczna fluorescencja DNA) Krzywa kalibracji Bembnowicz et al., SNB, 2010

Mikrofale Podział pasm radiowych wg IEEE Oznaczenie pasma Zakres częstotliwości Długość fali (w wolnej przestrzeni) VLF 3 30 khz 10 100 km LF 30 300 khz 1 10 km MF 300 3000 khz 100 m 1 km HF 3 30 MHz 10 100 m VHF 30 300 MHz 1 10 m UHF 300 3000 MHz 10 cm 1 m SHF 3 30 GHz 1 10 cm EHF 30 300 GHz 0.1 1 cm

Mikrofale Podział pasm radiowych wg NATO Oznaczenie pasma Zakres częstotliwości A B C D E F G H I J K L M 0 250 MHz 250 500 MHz 500 1000 MHz 1 2 GHz 2 3 GHz 3 4 GHz 4 6 GHz 6 8 GHz 8 10 GHz 10 20 GHz 20 40 GHz 40 60 GHz 60 100 GHz

Mikrofale Długość fali porównywalna z wymiarami obwodów, bardzo duża pojemność informacyjna, zysk energetyczny anten jest proporcjonalny do rozmiarów elektrycznych (wyrażonych w długości fali), zakłócenia elektromagnetyczne w pasmie 1-10 GHz przyjmują swoje minimum, mikrofale rozchodzą się (zasadniczo) prostoliniowo, tłumienie gazami atmosferycznymi występuje powyżej 10 GHz, Jonosfera jest przezroczysta dla mikrofal (łączność satelitarna).

Mikrofale Rachunek decybelowy P 1 /P 2 K (db) 0,1-10 0,5-3 1 0 1,25 1 2 3 5 7 10 10 P (dbm) moc odniesiona do 1 mw P(W) moc wyrażona w watach

Mikrofale Prowadnice falowe (linie transmisyjne) Kierunek rozchodzenia się fali TEM Układ powierzchni granicznych materiałów, tworzących ciągłą drogę z jednego punktu do drugiego, zdolny do skierowaniu przepływu energii elektromagnetycznej wzdłuż tej drogi. Fala elektromagnetyczna może być prowadzona wzdłuż: - przewodników - dielektryków

Mikrofale Prowadnice falowe (linie transmisyjne) Prowadnice falowe Linie współosiowe Falowody Linie mikropaskowe Linie paskowe

Mikrofale Prowadnice falowe (linie transmisyjne) 5*W Kanał mikroprzepływowy J. Stiles, www.ittc.edu

wrota 1 wrota 2 Mikrofale Macierz rozproszenia Z 01 Z 02 I 1 I 2 a 1 b 1 S U 1 U 2 a 2 b 2 a 1, a 2 padająca fala napięciowa b 1, b 2 odbita fala napięciowa S 11, S 22 współczynnik odbicia na wejściu/wyjściu S 12, S 21 współczynnik transmisji

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe Zastosowanie GRZANIE Synteza nanomateriałów DETEKCJA P. Vélez, L. Su, K. Grenier, D. Dubuc, F. Martín, Microwave Microfluidic Sensor based on a Microstrip Splitter / Combiner Configuration and Split Ring Resonators ( SRR ) for Dielectric Characterization of Liquids, IEEE Sensors Journal, Inst. Electr. Electron. Eng. 1748 (2017) 1 10. J. Wessel, K. Schmalz, B. Cahill, G. Gastrock, J.C. Scheytt, Microwave biosensor for characterization of compartments in teflon capillaries, (2012) 534 537.

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe Laminaty szklanoepoksydowe Polimery Wolff, Signals, Systems and Electronics, 2007

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe Obwody mikrofalowe Komunikacja bezprzewodowa Mała stratność w pasmie mikrofal (tg d) Stabilna wartość względnej przenikalności elektrycznej (e) Jednorodność elektryczna Niezależność parametrów elektrycznych od f oraz T Możliwość wykonywania struktur 3D Odporność chemiczna, mechaniczna i termiczna Integracja podzespołów elektronicznych i mikrofluidycznych

S11 (db) Częstotliwość (GHz) Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Grzanie mikroobjętości Przekrój modułu z zaznaczonymi warstwami LTCC, metalizacjami oraz komorą z cieczą. Linia mikropaskowa 1 warstwa 1 warstwa 3 warstwy mikrokanał 1 warstwa 1 warstwa Masa

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Grzanie mikroobjętości Objętość kanału: 0,4 mm 3 Szybkość grzania: do 230 K/s Temperatura wody w mikrokanale w funkcji prędkości przepływu. Zmierzona moc cieplna w funkcji prędkości przepływu wody

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Mikroreaktor do syntezy nanocząstek

Absorbancja Długość fali (nm) Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Mikroreaktor do syntezy nanocząstek

Ilość (%) Ilość (%) Mikroreaktor do syntezy nanocząstek Średnica (nm) (a) Średnica (nm) (b) Obrazy HRTEM i rozkłady wielkości otrzymanych nanocząstek złota: (a) z i (b) bez obróbki mikrofalowej.

Wsp. odbicia (db) Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor rezonansowy Częstotliwość (GHz)

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor rezonansowy Poszczególne warstwy LTCC tworzące układ mikroprzepływowy z detektorem rezonansowym Układ mikroprzepływowy z detektorem rezonansowym wykonany techniką LTCC

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor rezonansowy Częstotliwość (GHz) Zawartość wody (%)

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor różnicowy Dzielnik mocy Wilkinsona Dzielnik mocy Wilkinsona Sprzęgacz pierścieniowy

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor różnicowy Układ mikroprzepływowy z detektorem różnicowym wykonany techniką LTCC Poszczególne warstwy LTCC tworzące układ mikroprzepływowy z detektorem różnicowym

Układy mikrofalowo-mikroprzepływowe wykonane techniką LTCC Detektor różnicowy Dzielnik mocy Wilkinsona Częstotliwość (GHz) Zawartość wody (%)