ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE LABORATORIUM Ćwiczenie nr 1 PRZEPŁYW I MIESZANIE CIECZY W MIKROKANAŁACH Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i warunkami poprawnego działania mikromieszalników cieczowych. W ćwiczeniu badane będą dwa mieszalniki: typu Y oraz tzw. mieszalnik palczasty. Pierwszy mieszalnik powstał na potrzeby laboratorium studenckiego. Na jego przykładzie będzie można zapoznać się ze specyfiką przepływu cieczy przez mikrokanały. Drugi mieszalnik (palczasty) jest częścią mikroreaktora opracowanego do prowadzenia reakcji nitracji w ramach projektu europejskiego NEPUMUC (New Eco-efficient Industrial Process Using Microstructured Unit Components) przez zespół Z-7 W12. Umożliwia on poprawne mieszanie dwóch różnych cieczy w mikroskali. Wprowadzenie: Mikromieszalniki stosowane są w analityce chemicznej i biochemicznej, w farmakologii przy opracowywaniu nowych leków, a także w chemii przy przeprowadzaniu reakcji chemicznych. Mieszanie substancji w mikroskali jest zagadnieniem dużo bardziej skomplikowanym niż w makroskali. O charakterze przepływu cieczy w kanałach decyduje liczba Reynoldsa. Wyraża się ona wzorem: v d Re gdzie ρ to gęstość płynu, v - prędkość przepływu, μ - lepkość cieczy, d - wymiar charakterystyczny kanału (np. średnica). Występują trzy typy przepływu cieczy: Re > 10 000 przepływ turbulentny, 2300 < Re < 10 000 przepływ przejściowy, Re < 2300 przepływ laminarny (uporządkowany, warstwowy, stabilny, rys. 1). Rys. 1. Ilustracja laminarnego przepływu dwóch cieczy przez mieszalnik pasywny 1
W mikrokanałach ciecze płyną w sposób laminarny, ponieważ średnica d jest bardzo mała (kilkadziesiąt kilkaset mikrometrów), a liczba Reynoldsa jest dużo mniejsza od 2300. Przy braku turbulencji jedynym mechanizmem decydującym o mieszaniu się cieczy jest zjawisko dyfuzji. W temperaturze pokojowej jest to proces bardzo wolny i potrzebne są bardzo długie kanały, żeby doszło do całkowitego wymieszania cieczy. Problem jest szczególnie istotny dla roztworów zawierających duże cząsteczki: DNA, proteiny, dla których współczynnik dyfuzji jest bardzo mały i wynosi ok. 10 10 m/s 2. Aby zwiększyć tempo mieszania cieczy w mikroskali, opracowuje się różne konstrukcje mikromieszalników. Można je podzielić na dwie zasadnicze grupy: pasywne i aktywne. W mieszalnikach pasywnych nie stosuje się ruchomych elementów, a jedynie odpowiednio kształtuje topologię kanałów, tak aby dochodziło do zwiększenia powierzchni kontaktu między mieszanymi strumieniami cieczy. Można to osiągnąć wprowadzając do mikrokanału przeszkody generujące zaburzenia przepływu, zmieniające kierunek i szybkość przepływu strug cieczy. Istnieją konstrukcje złożone, które rozdzielają ciecz na wiele strug, a następnie łączą te strugi wprowadzając jedne w drugie. W mikromieszalnikach aktywnych do mieszania dochodzi w wyniku działania siły zewnętrznej. Odpowiada ona za efektywne wprowadzanie turbulencji do układu kanałów. Wykorzystuje się w tym celu rożnego rodzaju pobudzenia: pulsacyjne pompowanie cieczy, załączanie i wyłączanie mikrozaworów, chwilowe podgrzanie mieszanych cieczy (wytwarzanie pęcherzyków gazu), generację ultradźwięków, przykładanie zmiennego pola magnetycznego lub elektrycznego. Wadą mieszalników pasywnych jest ograniczenie prędkości przepływu substancji, natomiast mieszalniki aktywne wymagają dostarczania energii. Niektóre mechanizmy aktywacji mogą również negatywnie wpływać na reagenty (substancje biologiczne lub odczynniki chemiczne). Mikromieszalniki badane w ćwiczeniu są mieszalnikami pasywnymi. Mieszalnik typu Y jest najprostszą ze znanych konstrukcji mieszalników (rys. 2a). Dwie ciecze płynące osobnymi kanałami spotykają się w jednym miejscu (na skrzyżowaniu). Chip został wykonany z podłoży szklanych (Borofloat 3.3, Schott, Niemcy) o wymiarach 50 25 mm 2. Kanały mikrofluidyczne mają szerokość 400 μm i głębokość 50 μm. Wytrawiono je w szkle przez maskę polimerową w 40% roztworze kwasu fluorowodorowego z dodatkiem kwasu solnego (1:10). Podłoże z wytrawionymi kanałami i wykonanymi mechanicznie otworami (średnica 0,7 mm) połączono z gładkim podłożem szklanym (pokrywka) metodą bondingu fuzyjnego. Drugi mieszalnik palczasty ma bardziej złożoną konstrukcję (rys. 2b). 1 2 4 3 a) b) Rys. 2. Mikromieszalniki pasywne: a) szklany typu Y, b) krzemowo-szklany typu palczasty 2
Aby zwiększyć tempo mieszania cieczy, zastosowano w nim rozdzielanie na wiele wąskich strug i wprowadzanie jednych między drugie. Zwiększono tym samym powierzchnię kontaktu między cieczami i możliwość dyfuzji. W mieszalniku zastosowano również długi kanał z licznymi zakrętami, dzięki czemu wydłużono drogę dyfuzji. Wykonano do z dwóch podłoży: krzemowego z wytrawionym układem kanałów i otworów oraz ze szklanego z otworami doprowadzającymi. Opis stanowiska: Do obserwacji procesu mieszania się różnych cieczy w mikrokanałach służą dwa różne mikromieszalniki: krzemowo-szklany i szklany, zamocowane w specjalnych obudowach z poliwęglanu. W ćwiczeniu mieszane są dwie ciecze (błękit metylowy i fluoresceina) dozowane z dwóch niezależnych pomp strzykawkowych (rys. 3). Do obserwacji procesu mieszania wykorzystuje się cyfrowy mikroskop Bresser podłączony do komputera. Mikroskop należy umieścić bezpośrednio nad obserwowanym mikrokanałem mieszalnika. Substancja A Substancja B Rys. 2. Schemat układu pomiarowego Przyrządy: Pompy strzykawkowe ASCOR, mikroskop Bresser 2MP-USB Handy. 3
Przebieg ćwiczenia: 1. Zaznajomienie się z układem pomiarowym Przygotowanie układu pomiarowego do ćwiczenia a) Włącz komputer, b) Utwórz swój folder w folderze Laboratorium Med., c) Włącz program CamApp do nagrywania obrazu z mikroskopu (naciśnij przycisk picture na mikroskopie Bresser, d) Ustaw ostrość na mikroskopie tak, żeby dobrze widzieć skrzyżowanie typu T w kanale mikrofluidycznym, e) Naciśnij przycisk mode na mikroskopie Bresser w celu zmiany koloru oświetlenia (spróbuj bez oświetlenia, wybierz najlepszą wersję), f) W celu zmiany jasności użyj dwóch bocznych przycisków mikroskopu Bresser, g) W celu wykonania zdjęcia badanego chipa naciśnij przycisk picture na mikroskopie (można również nagrać krótki film). Instrukcja obsługi programu CamApp a) Wybierz ścieżkę do zapisania pliku video: File Set Capture File Folder, b) Dobierz ustawienia video: Option Video Capture Filter, c) Ustaw czas nagrania np. na 30 sek: Capture Record Time Limit, d) Rozpocznij nagranie: Capture Start Capture, e) Zakończ nagranie: Capture Stop Capture. 2. Przeprowadzenie pomiarów (obserwacji): Przeprowadź pomiary dla każdego mieszalnika oddzielnie, zamykając/otwierając odpowiednie zawory. Mikromieszalnik typu Y : a) Zainstaluj w pompach ASCOR strzykawki z dwoma różnymi barwnikami (niebieski i czerwony). Ustaw prędkość przepływu 15 ml/h i zaczekaj aż rurki wypełnią się barwnikami A i B. b) Na pompach strzykawkowych zmieniaj prędkość dozowania obu cieczy utrzymując stałą wartość VA + VB = 12 ml/h; krok 2 ml/h; ustawiaj 2:10, 4:8, 6:6, 8:4, 10:2. Wykonuj fotografie chipa po ustaleniu się warunków przepływu. Określ (w sprawozdaniu) jaki procent szerokości kanału zajmuje każda z cieczy przy wlocie i wylocie mieszalnika. c) Utrzymując równą prędkość przepływu cieczy A i B zmieniaj ją od 2 do 10 ml/h, krok 2 ml/h na obu pompach jednocześnie. Wykonuj fotografie chipa po ustaleniu się warunków przepływu. 4
Określ jaki procent szerokości kanału na wylocie mieszalnika zajmują obie ciecze, czy są dobrze wymieszane? Mikromieszanik palczasty: a) Ustal stałą wielkość przypływu cieczy A (np. 6 ml/h), zmieniaj wartość przepływu cieczy B od 2 do 10 ml/h, krok 2 ml/h: - obserwuj jaki procent szerokości kanału zajmują strugi cieczy B na początku kanału mieszalnika, - w którym miejscu (nr głównego zakrętu) dochodzi do całkowitego wymieszania substancji. - wykonuj fotografie chipa po ustaleniu się warunków przepływu. b) Ustal stałą wielkość przypływu cieczy B (np. 6 ml/h), zmieniaj wartość przepływu cieczy A od 2 do 10 ml/h, krok 2 ml/h: - obserwuj jaki procent szerokości kanału zajmują strugi cieczy A na początku kanału mieszalnika, - w którym miejscu (nr zakrętu) dochodzi do całkowitego wymieszania substancji, - wykonuj fotografie chipa po ustaleniu się warunków przepływu. c) Utrzymując taką samą prędkość przepływu cieczy A i B, zmieniaj ją od 2 do 10 ml/h, krok 2 ml/h, na obu pompach jednocześnie: - określ, jak zmienia się stosunek szerokości kanału zajmowanego przez ciecz B do szerokości cieczy A na początku kanału mieszalnika, - określ miejsce, w którym dochodzi do całkowitego wymieszania się substancji, - wykonuj fotografie chipa po ustaleniu się warunków przepływu. UWAGA: Po zakończeniu ćwiczenia dokładnie przepłucz mikromieszalniki zamieniając strzykawki z barwnikami na strzykawki z wodą dejonizowaną (ustaw przepływ 10-15 ml/h). 3. Analiza wyników pomiarów: Analizę wyników wykonuje się na podstawie obrazów zarejestrowanych przez kamerę cyfrową Bresser. Pomiaru szerokości kanału zajmowanych przez różne ciecze i ich mieszaninę można dokonać przy użyciu dowolnego programu graficznego umożliwiającego pomiar szerokości strug (względem całkowitej szerokości kanału). Mieszalnik Y : Dla punktu b) sporządź wykres pokazujący, jaki procent szerokości kanału zajmują substancje A i B w dwóch miejscach (jeśli są różne): na początku i na końcu mikromieszalnika dla różnych parametrów przepływu. Dla punktu c) sporządź wykres pokazujący, jaki procent szerokości końca kanału mikromieszalnika zajmuje mieszanina substancji A i B dla różnych parametrów przepływu. Czy mieszalnik typu Y umożliwia efektywne mieszanie dwóch różnych cieczy? 5
Mieszalnik palczasty: Dla punktów a) i b) sporządź odpowiednio wykresy: - prezentujące jaki procent szerokości kanału zajmowany jest przez substancję B (A) na początku kanału mieszalnika dla różnych parametrów przepływu, - pokazujące, gdzie następuje wymieszanie się substancji A i B wzdłuż długości kanału (wyrażonej w liczbie głównych zakrętów) dla różnych parametrów przepływu, dla punktu c) porządź wykres pokazujący, jak zmienia się wartość odległości, dla której dochodzi do całkowitego wymieszania się cieczy w zależności od prędkości przepływu barwników, Czy mieszalnik typu palczasty umożliwia efektywne mieszanie dwóch różnych cieczy? Przykładowe pytania na kartkówce: Na czym polega specyfika przepływu i mieszania się cieczy w mikrokanałach? Wymień i narysuj schematy różnego typu mieszalników pasywnych. Wymień różne typy mieszalników aktywnych. Z jakich materiałów i wykorzystując jakie technologie można wykonać mieszalnik typu MEMS? Porównaj mieszalniki pasywne z aktywnymi, podaj wady i zalety. Przed wykonaniem ćwiczenia proszę zapoznać się z materiałami pomocniczymi przygotowanymi do ćwiczenia. Literatura: 1. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004 2. Z. Brzózka, Mikrobioanalityka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009 3. Wybrane artykuły na temat mikromieszalników (micromixers): a) Y. Wang, J. Zhe, B. T. F. Chung, P. Dutta, A rapid magnetic particle driven micromixer, Microfluid Nanofluid (2008) 4:375 389, b) Ajay A. Deshmukh, Dorian Liepmann, and Albert P. Pisano, Continuous micromixer with pulsatile micropumps, Technical Digest of the IEEE Solid State Workshop, Hilton Head Island, SC, 4-8 June, 2000, 73-76 6