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 dozownika wielozaworowego zintegrowanego z detektorem 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 dozowanie do cieczy nośnej (np. wody dejonizowanej) badanej próbki, której objętość jest rzędu mikrolitra. 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 folii kaptonowej oraz zintegrowany detektor konduktometryczny. Detektor ma za zadanie określić przewodność elektrolityczną badanej próbki. Na podstawie czasu retencji i powierzchni piku przewodności można określić ilość badanej substancji oraz jej rodzaj. W stanie początkowym ciecz nośna (woda dejonizowana, DI) podobnie jak badana próbka płyną własnymi 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 poprzez kanał 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. 1
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 Zadaniem detektora ulokowanego w chipie jest wykrycie zmiany przewodności elektrolitycznej w momencie przepływu badanej próbki. Do chipów wbudowano jeden z dwóch modeli detektorów konduktometrycznych: 2- lub 4- elektrodowy (rys. 2). 2
górna elektroda elektroda dolna dolna elektroda elektroda elektroda elektroda 1 elektroda 1 elektroda 4 elektroda 4 elektroda 3 elektroda 3 elektroda 2 elektroda 2 a) b) Rys. 2. Przekrój przez strukturę detektora konduktometrycznego oraz układ elektrod: a) w modelu 2- elektrodowym, b) w modelu 4-elektrodowym Ponieważ detektor 4-elektrodowy posiada dużą komórkę pomiarową (przestrzeń pomiędzy elektrodami), można nim analizować próbki o objętości większej niż 0,5 µl. 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, 2) rurka doprowadzająca ciecz dozowaną (roztwór badanej substancji), 3) przewód pneumatyczny doprowadzający sprężone powietrze sterujące pracą mikrodozownika, 4) rurka wyjściowa wyprowadzająca roztwór badany i ciecz nośną (odpadki). Przyrządy: Generator drgań sinusoidalnych Instek GFG-3015, zasilacz napięcia stałego MANSON, przyrząd uniwersalny USB, pompy strzykawkowe Ascor. Na 2 elektrody detektora należy podać sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 khz i napięciu 1 V. Pomiary wykonuje się z częstotliwością miernika uniwersalnego, która wynosi 2 Hz, na zakresie VAC. Napięcie mierzone na rezystorze R (100 kω) zależy od przewodności elektrycznej słupa cieczy płynącej pomiędzy elektrodami konduktometru. Miernik napięcia podłączony do komputera wskazuje aktualną, wartość napięcia skutecznego odkładającego się na rezystorze pomiarowym, dzięki czemu możliwe jest zaobserwowanie pików, które pojawiają się w momencie przepływania próbki. Do badania właściwości detektora stosowane są wzorcowe roztwory KCl o stężeniach 1 mm, 10 mm i 100 mm. Wstrzyk próbki realizowany jest przez odpowiednie zamykanie 3
i otwieranie zaworów ciśnieniowych (objętość próbki 0,5 µl) lub ręcznie za pomocą strzykawki chromatograficznej. Cieczą nośną jest woda dejonizowana (DI). Rys. 3. Schemat układu pomiarowego Przebieg ćwiczenia: 1. Zaznajomienie się z układem pomiarowym 2. Przeprowadzenie pomiarów: a) Wykonanie pomiarów odpowiedzi detektora w zależności od stężenia próbki KCl, przy stałej prędkości przepływu cieczy nośnej (6 ml/h) i stałej objętości próbki (0,5 µl). Stężenie KCl: 1, 10, 100 mm b) Wykonanie pomiarów odpowiedzi detektora w zależności od prędkości przepływu cieczy nośnej, przy stałym stężeniu (100 mm) i stałej objętości próbki KCl (0,5 µl). Prędkość przepływu cieczy nośnej: 12, 6, 3, 1.2 ml/h c) Określenie optymalnego czasu dozowania próbki dla różnych prędkości przepływu cieczy nośnej. 4
d) Wykonanie pomiarów odpowiedzi detektora w zależności od objętości próbki KCl, przy stałej prędkości przepływu cieczy nośnej 3 ml/h), przy stałym stężeniu KCl (1 mm). Do uzyskania różnej objętości próbki zastosować strzykawkę chromatograficzną. e) Wykonanie pomiaru odpowiedzi detektora dla nieznanego stężenia próbki, przy ustalonych pozostałych parametrach układu 3. Analiza wyników pomiarów: a) Wykreślić krzywą kalibracji detektora - zależność sygnału wyjściowego od stężenia KCl (maksimum piku) i oszacować stężenie nieznanej próbki, zmierzonej w punkcie 2d). b) Określić stałą naczyńka stosowanego mikrodetektora. c) Opracować wyniki, przygotować sprawozdanie. Przykładowe pytania: Opisać zasadę działania mikrochipa z detektorem i dozownikiem. Co to jest stała naczynka detektora konduktometrycznego i jak się ją wyznacza? W jaki sposób korzystając z wykresów odpowiedzi detektora konduktometrycznego wyznaczyć stężenie i objętość badanej próbki? Jakie warunki pomiarów muszą być spełnione, aby analiza próbki była wiarygodna? Przed wykonaniem ćwiczenia proszę zapoznać się z materiałami pomocniczymi przygotowanymi do ćwiczenia. Literatura: 1. Z. Witkiewicz, J. Hetper, Chromatografia gazowa, WN-T, Warszawa 2001 2. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur owych i owo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004 3. Z. Brzózka, Laboratorium analizy instrumentalnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998 5
Uwagi: 1. Uruchomić laptop MSi, użytkownik LabMed, używać katalogu Dozownik wielozaworowy. 2. Włączyć zasilacz Manson, ustawić 10 V pokrętłem VOLT., kliknąć Output: on. 3. Uruchomić pompę strzykawkową Ascor. Najpierw włączamy włącznik główny (1) jest na tylnej ściance. Następnie włączamy włącznik (2) On na przedniej ściance, włącza się wyświetlacz i pyta czy kontynuować?. Włączamy przepływ przez przyciśnięcie przycisku YES. Na tym etapie wybieramy szybkość przepływu cieczy przez przyciśnięcie odpowiedniej cyfry (np. 2 ml/h). Jeśli przyciśniemy No uzyskamy informacje na temat ustawionych warunków dozowania. Szybkość przepływu zmieniamy przez przyciśnięcie odpowiedniej cyfry i potwierdzenie przyciskiem YES. Zatrzymujemy przepływ przyciskając przycisk oznaczony. Pompę wyłączamy przez przyciśnięcie w czasie 3 sekund przycisku off3s, umieszczonego na przedniej ściance. 4. Uruchomić przyrząd uniwersalny AXIO-MET: a) podłączyć wyłączony przyrząd kablem USB do laptopa, uruchomić program PC Link jako administrator, w zakładce Set wybrać Set, potem wybrać COM3 (inny niż COM1), wybrać 120/minute, kliknąć Apply. b) Włączyć przyrząd przekręcając przełącznik na VAC trzymając jednocześnie wciśnięty Hz przez 2 3 sekundy przycisk. Na wyświetlaczu przyrządu pojawi się napis DUTY PC-LINK. 5. Uruchomić program Dozownik wielozaworowy: Na ekranie ustawić odpowiedni czas dozowania próbki oraz odstęp stand-by pomiędzy kolejnymi dozowaniami. Aby rozpocząć dozowanie kliknąć run lub run continously. Zapisywane przez AXIO-MET wyniki pomiarów są widoczne w oknie z prawej strony ekranu. Zapis wyników wykonujemy przez kolejne operacje: Stop (koniec pomiaru), File, Save (utworzyć foder grupy na pulpicie do zapisywania zbiorów z pomiarami). Zbiór z wynikami pomiarów ma rozszerzenie *.TXT. Można go otworzyć w Notatniku lub Excelu. Nowe pomiary rozpoczynamy po kliknięciu Reset. 6