1 Ημερίδα Εκπ. Β'-βάθμιας Εκπαίδευσης, ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος” 14 Απριλίου 2008 Μικρο-ρευστομηχανικές διατάξεις και συστήματα Αγγελική Τσερέπη Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής ΕΚΕΦΕ “Δ”

2 Μικρορευστομηχανικές διατάξεις: επίπεδες μικροδιατάξεις για έλεγχο ροής μικρών ποσοτήτων υγρών ή αερίων κινουμένων μέσα σε μικροσκοπικά κανάλια ( μm) Microfluidics: επιστήμη σχεδιασμού και κατασκευής διατάξεων και διεργασιών χειρισμού μικροσκοπικών ποσοτήτων ρευστού

3 Lab-on-a-chip: μεταφορά «εργαστηρίου» πάνω σε ψηφίδα μ-TAS: μικροσκοπικά συστήματα ολικής ανάλυσης 1990 επέκταση της ιδέας συστημάτων ολοκληρωμένης ανάλυσης για αυτοματοποίηση ιδέα: ενσωμάτωση πολλαπλών αναλυτικών διαδικασιών σε συστήματα ροής υγρών, όπου ρευστά αντικαθιστούν το ανθρώπινο χέρι στη μεταφορά δειγμάτων μεταξύ διαφόρων σταδίων διαχείρισης δείγματος όγκοι~μl, χρόνοι~sec oλοκλήρωση διεργασιών: προετοιμασία δείγματος, αντίδραση, διαχωρισμός, ανίχνευση, ανάλυση

4 Μικροαναλυτικό χημικό σύστημα από τα Sandia Βιοαναλυτικό μικροσύστημα από την Agilent (“Bio-analyzer”) Εμπορικά μικρο-αναλυτικά συστήματα

5 Προβλέψεις Yole Développment Report May 2007: “Αναδυόμενες αγορές για εφαρμογές των Microfluidics ”

6 Outline Ιστορική εξέλιξη Πλεονεκτήματα σμίκρυνσης διαστάσεων Si, γυαλί, πλαστικά/πολυμερικά υποστρώματα Τεχνολογία κατασκευής Παραδείγματα

7 Μικρορευστομηχανικές διατάξεις 1975: 1 η μικρο-αναλυτική διάταξη σε Si (GCA, διαχωρισμός σε sec, Stanford) 1990: μTAS (Manz), ολοκληρωμένη διάταξη για προεργασία δείγματος, διαχωρισμό CE, και ανίχνευση, σε Si διατάξεις πάνω σε πλαστικά υποστρώματα μόνο σε πατέντες 1993: διατάξεις σε Si και γυαλί για ενίσχυση DNA : κρίσιμη μάζα, διατάξεις για ενίσχυση DNA και CE 1997: 1 ο μικρο-σύστημα για CE σε PDMS εταιρίες ξεκινούν να επενδύουν έντονα σε μικρορευστομηχανικές διατάξεις ενδιαφέρον για πλαστικά υποστρώματα αυξάνει Ιστορική εξέλιξη

8 Κίνητρο για σμίκρυνση διατάξεων μεταφορά καθορίζεται με διάχυση: ροή στρωτή Διαστατικοί νόμοι: - Χρόνος διάχυσης t D –απαιτείται από μόριο για να διασχίσει απόσταση l με διάχυση t D ~ l 2 : όταν l ↓ από cm σε 100 μm, χρόνος ↓ από hours σε sec - απόδοση διαχωρισμού CE: N/t ~ 1/d 2 : όταν d↓ 10, ταχύτητα διαχωρισμού x100 μείωση κατανάλωσης αντιδραστηρίων/διαλυτών μείωση χρόνου ανάλυσης αυξημένη απόδοση ανάλυσης (ταχύτερα + παράλληλα) αύξηση διακριτικής ικανότητας Παράδειγμα: Προτεομική 1960 : 1 protein/day mole 2002 : proteins/day – mole

9 Πυρίτιο και γυαλί σαν δομικά υλικά διατάξεων Si: παραδοσιακό υλικό μικροηλεκτρονικής εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες ακατάλληλο για χρήση σε διατάξεις όπου η ροή καθορίζεται από ηλεκτρο-oσμωτική πίεση γυαλί: οπτικά διαφανές ηλεκτρικές ιδιότητες κατάλληλες για ηλεκτροκινητική μεταφορά δείγματος Si και γυαλί συμβατά υλικά για σφράγισμα καναλιών με τεχνικές συγκόλλησης (ανοδική ή θερμική συγκόλληση)

10 Τεχνολογία σχηματοποίησης Si/SiO 2 Φωτοευαίσθητο πολυμερές 1. Επίστρωση φωτο-πολυμερούς Substrate film SiO 2 5. Eγχάραξη SiO 2 4. εμφάνιση 6. Απομάκρυνση φωτο-πολυμερούς Θετικού τόνουimage-reversal Αρνητικού τόνου 2. Έκθεση σε φως μέσα από μάσκα Η+Η+ 3. Θέρμανση Λιθογραφία

11 Εγχάραξη Si/SiO 2 Anisotropic wet etchants: KOH, TMAH, EDP

12 Διεργασίες για μικρομηχανική σε γυαλί: λιθογραφία και υγρή εγχάραξη (b) Κανάλια εγχαραγμένα σε γυαλί για τριχοειδή ηλεκτροφόρηση (πάνω διάμετρος 50 μm, βάθος 20 μm). (c) Διατομή καναλιού μετά θερμική συγκόλληση με δεύτερο υπόστρωμα από γυαλί

13 Διεργασίες για μικρομηχανική σε γυαλί: λιθογραφία και ξηρή εγχάραξη Διάταξη σε γυαλί για υγρή χρωματογραφία: δομές κατασκευασμένες με ξηρή εγχάραξη (βάθος 10 μm)

14 Πλαστικά/Πολυμερή σαν δομικά υλικά Χαμηλό κόστος (διατάξεις μιας χρήσης) Ευέλικτες ιδιότητες (οπτικές, βιο-συμβατότητα, επιφανειακή ενέργεια,...) Ευκολία κατασκευής (δεν απαιτείται πρόσβαση σε καθαρούς χώρους) Ευκολία σφραγίσματος Εύκολη τεχνολογία για χημικούς/βιολόγους Πλεονεκτήματα: Μειονεκτήματα: Προσοχή στον έλεγχο των επιφανειακών ιδιοτήτων Ασυμβατότητα με κάποιους οργανικούς διαλύτες και υψηλές θερμοκρασίες

15 Τεχνολογίες σχηματοποίησης πλαστικών 1.Μικροχύτευση με έγχυση (Injection molding) 2.Hot embossing 3.Αναπαραγωγή αντιγράφου Τέλος δεκαετίας 1990

16 Αναπαραγωγή αντιγράφου Κανάλια σε PDMS

17 Διατάξεις κατασκευασμένες στο ΙΜΗΛ Εφαρμογή Ι: Διάταξη για ακινητοποίηση βιομορίων και ανάλυση βιο-δείγματος σε οπτικό βιο-αισθητήρα K. Misiakos et. al. Microelectronic Engineering, 83, (2006)

18 Εφαρμογές (ΙΙ) Μικροχρωματογραφική στήλη για ενίσχυση της διακριτικής ικανότητας αισθητήρα ανίχνευσης αερίων Malainou et. al., Micro & Nano Engineering 2007 benzene/xylene mixtures

19 (Ι) Παράδειγμα αναλυτικής διάταξης Διατάξεις για τριχοειδή ηλεκτροφόρηση Η πρώτη διαδεδομένη εφαρμογή μTAS, και η 1η που διατέθηκε εμπορικά για διαχωρισμό βιομορίων (proteins, aminoacids, DNA fragments) Υλικά: γυαλί, θερμοπλαστικά πολυμερή (PMMA, PC) και ελαστομερή (PDMS) Μέθοδοι κατασκευής: hot embossing, μικροχύτευση με έγχυση, σχηματοποίηση με λέιζερ Becker and Lacascio, Talanta, 56 (2002)

20 (ΙΙ) Παράδειγμα αναλυτικής διάταξης Διατάξεις για ενίσχυση DNA PCR : πλέον διαδεδομένη στη βιοτεχνολογία για ενίσχυση τμημάτων DNA Πολυμερή με θερμική σταθερότητα χρησιμοποιούνται: PC, COC, PDMS Kopp et. al. Science, 280 (1998)

21 Μακροπρόθεσμη επιτυχία των μ- fluidics εξασφαλίζεται χάρη στο ευρύ φάσμα εφαρμογών τους Προκλήσεις για έρευνα: ολοκλήρωση περισσοτέρων λειτουργιών ανάπτυξη φθηνών μεθόδων μαζικής παραγωγής Επίλογος Βιβλιογραφία G. Whitesides and A.D. Stroock, “Flexible methods for Microfluidics”, Physics Today ( E. Verpoorte and N. de Rooij, “Microfluidics meets MEMS”, Review Proc. IEEE (2003)