Microfluidica e lab on chip

Microfluidica e lab on chip
Teoria ed applicazioni nel campo della
diagnostica e genetica
Anna Zocco Application Engineer e-Health group
STMicroelectronics, Lecce Lab
First BioInterface School
Lecce 12-16 novembre 2006
1
n
Miniaturizzazione
LAB
First BioInterface School
Lecce 12-16 novembre 2006
on
CHIP
2
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofiliche ed idrofobiche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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3
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofobiche ed idrofiliche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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4
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5
STMicroelectronics’ Product Portfolio
- Automotive (BMW, BOSCH…)
Integrated Circuits “ICs”
- Inkjet printheads, drivers
ICs… (HP)
Memories (RAM, EEProm, Nand, Flash…)
-Connectivity (WiFi, Bluethoot, RF…)
-Industrial & Discrete IC (power MOSFets, IGBTs,
Bipolar…)
-Video (LCD drivers, sync separators…)
-System On Chip
-Microcontrollers
- MobilePhones
(NOKIA…)
-MEMS
- Audio (Pioneer, BOSE…)
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6
ST Divisione di Microfluidica: Tecnologie
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Tecnologia esistente:
testine stampanti a getto d’inchiostro
Cuore della tecnologia:
Canali sepolti per le
cartucce per stampanti
Idea!
Chip che combina la microelettronica con la microfluidica
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Microfluidic Technology:
Global Market Forecast
(Microfluidic Technology Report: BCC research 2006)
•
•
•
•
2005
2006
2011
CAGR 2006-2011
•
Il piu’ grande segmento di applicazione: stampanti a getto d’inchiostro
• 2005 75% of TAM
• 2011 50% of TAM
•
Medio segmento di applicazione: applicazioni legate alla salute come HTS, diagnostica,
rilascio di medicinali
• 2005 22% of TAM
• 2011 42% of TAM
•
Piu’ piccolo segmento di applicazione: Analisi e sintesi chimica e proteomica
• 2001 meno del 5% of TAM
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$ 2.933 billion
$ 3,246 billion
$ 6.283 billion
14.1%
9
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofobiche ed idrofiliche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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Perche’ microfluidica
Possibilita’ di controllare localmente il flusso di liquidi
Manipolazione di gas e liquidi all’interno di micro-reti
Fabbricazione di dispositivi miniaturizzati e micro- array
Integrazione di componenti ( Miscelatori, Valvole, Filtri and
Pompe) per optoelettronica, Chimica e Biologia
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Capillarita ’
La Capillarita’ deriva dalla configurazione di equilibrio di
due forze opposte:
Adesione del liquido alla superficie del solido, che tende
a diffondere il liquido
Le forze di tensione superficiale coesiva dei liquidi, che
agiscono a ridurre l’area di interfaccia liquido-vapore
Il fenomeno e’ quindi dipendente dall proprieta’ di
interfaccia liquido-solido:
–
–
–
–
tensione superficiale
angolo di contatto
rugosita’ della superficie
geometria
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Condizioni energetiche
Topografia
12
Condizioni energetiche
Assorbimento negativo
Assorbimento
Caso intermedio
Non- bagnabilita ’
Bagnabilita ’
Bagnabilita ’ parziale
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13
ANGOLO DI CONTATTO
CA e’la misura dell’angolo formato tra la superficie di un
solido e la linea tangente al raggio della goccia nel punto di
contatto con il solido
liquido
γ
S,L
vapore
θ
γ
L,V
γ
S,V
Il grado di bagnabilita’ di un solido puo’
essere descritta dai rapporti delle
tensioni di interfaccia dai materiali,
solido-liquido (SL) e liquido- vapore (LV)
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Tensione/energia di interfaccia
Tensione d‘interfaccia γij – forza per unita‘ di
lunghezza (N/m) che deriva dallo squilibrio delle
forze sulle molecole all‘interfaccia di due differenti
fasi i,j
Energia d‘interfaccia = energia libera necessaria
per aumentare di un‘area unitaria di contatto 2
differenti fasi i, j
∆G/∆
∆A = γij
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Vapore
Liquido(Solido)
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ADESIONE E COESIONE
Lavoro di adesione
W12=γγ1+γγ2-γγ12
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Lavoro di coesione
W11=γγ1+γγ1=2γγ1
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Equazione di Young
γ sv = γ sl + γ lv cosθ
γ
L,V
γ sv − γ sl
cos θ =
γ lv
vapore
γ
θ
liquido
S,V
solido
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γ
S,L
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Condizioni energetiche
Assorbimento negativo
Assorbimento
Caso intermedio
Bagnabilita ’
Non- bagnabilita ’
cos Θ= 1
cos Θ= - 1
Bagnabilita ’ parziale
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- 1< cos Θ< 1
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Superficie idrofilica: I liquidi che sono maggiormente attratti dalla
superficie del solido piuttosto che dalla forza di coesione molecolare
sono caratterizzati da un piccolo angolo di contatto e si dice che la
superficie e’ bagnata dal liquido
Superficie idrofobica: Quando la forza di coesione del liquido
grande della forze di adesione, il liquido respinge il solido e
viene indicata come condizione di “non bagnabilita’”
θ= 0 ° total w etting
90 ° < θ< 180 ° dew etting
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e’ piu’
questa
0 ° < θ< 90 ° partial w etting
θ= 180 ° unw etting
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Topografia
La bagnabilita ’ di una superficie e ’ controllata da due
fattori:
m −1 n −1
• chimica della superficie
• Roughness supeficiale
1
r=
∑
mn k = 0
∑ z( x
l= 0
k
, yl ) − µ
altezza media
cosϑr = r ⋅ cosϑ
Modello di Wenzel
Roughness
I drofobicita’
drofobicita’
Per superfici idrofobiche l’angolo di contatto osservato aumenta
all’aumentare della roughness rispetto ad una superficie piana
con la stessa chimica di superficie
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20
Lotus effect: Superfici super
idrofobiche
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21
Foglia di loto: proprieta’
–
–
Angolo di contatto: 162°°
Repellente all’acqua e/o superficie con effetto autopulente
“self cleaning”
(a) Superficie idrofobica liscia (b) Superficie idrofobica rugosa
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Relazione tra la rugosita’
e il “self cleaning”;
(a) ridistribuzione delle
particelle su una
superficie liscia
(b) adesione delle
particelle alla goccia
su una superficie
rugosa
22
Superfici autopulenti
Superficie idrofobica liscia
senza cristalli di cera
Superficie idrofobica
rugosa con cristalli di cera
•L’acqua e la polvere non si attaccano alla superficie.
• Le gocce d’acqua rotolano portando con se la polvere.
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Foglia di loto al microscopio
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Epiticular Waxes (100 nm)24
Lotus Effect
L’effetto autopulente delle foglie di loto e’ dovuto a:
Struttura superficiale molto fine a livello microscopico
• Presenza di cristalli di cera di circa 1 nm in diametro
•
Le superfici rugose su scala nanomentrica tendono ad essere
piu’ idrofobiche rispetto a superfici lisce perche’
l’area di contatto tra l’acqua ed il solido e’ minore (nella
pianta di loto, l’area a contatto e’ solo il 2-3% superficie
coperta dalla goccia).
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25
Super-idrofobicita’
id rofobico
id rofilico
90°
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Sup er
id rofobico
150°
26
az2
Le gocce di acqua si comportano differentemente su superfici
inclinate a causa dell’angolo di contatto e dell’isteresi dell’angolo
di contatto
Advancing
front
θ rec
θ adv
Receding front
θ adv − θ rec
Wetting angle hysteresis = advancing wetting angle –receding wetting angle
Un valore elevato dell’isteresi dell’angolo di contatto indica che
la goccia si blocca sulla superficie del substrato e non scivola
facilmente
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27
Slide 27
az2
The contact angle hysteresis depends on the geometry of the surface therefore increases when the roughness increases.
anna zocco, 10/ 24/ 2007
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofobiche ed idrofiliche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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28
Approccio Top- down
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Soft - Lithography
29
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30
µCP
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31
Repliche in Polidymetilsiloxano (PDMS)
Stampo da master 3D
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Multilayer
32
Canali sepolti nel silicio
Canali per la
PCR
Topologia degli inlet
Bio-compatible
channel coating
Canali sepolti
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Canali: membrana
33
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34
Dopo attacco del silicio
Dopo attacco ossido
Particolari della
lavorazione che
mostrano le
aperture di accesso
ai canali sepolti
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35
Dinamica Capillare
La direzione del flusso e ’ determinata dalla differenza di
pressione tra due regioni connesse idraulicamente ed e ’ tale da
annullare tale differenza
γ LV cos θ
∆P = 2
Rh
Laplace pressure
Rh ~ V/ S
hydrophilic
hydrophobic
Le proprieta ’ superficiali hanno degli effetti significativi sul
comportamento dei liquidi su scala submillimetrica ed anche nel
modificare la forma del minisco
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36
Controllo della dinamica Capillare
dz G∆P R h γ LV cos θ
=
=
dt
4η z
ηz
∆P Pressione di Laplace
G Fattore geometrico
η
Viscosita’
Θ Angolo di contatto
γ
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Energia di superficie
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Effetti superficiali in microfluidica
subst r at o
St ampo in PDMS
 2G ∆ P
z ( t ) = 
η




f luido
1
2
⋅t
1
2
Legge di Washburn
 cosϑSiO2 + cosϑPDMS 2 cosϑPDMS

∆P = γLV
+


d
w


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Effetti superficiali in microfluidica
Diefferenze energetiche di interfaccia causano diversi
effetti di turbolenza sulle molecole dei liquidi
Effetto “Molla ”
“Effetto Weissenberg”
Questo causa una pressione
extra nel flusso capillare
Questo causa uno stiramento delle
molecole, dando origine ad uno stress
extra che agisce perpendicolarmente alla
sezione del capillare
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39
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofobiche ed idrofiliche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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40
In-CheckTM
Piattaforma di STMicroelectronics
per test di diagnostica genetica
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41
Piattaforma In-check
Concetto ed Applicazioni
DIAGNOSTICA
DIAGNOSTICAMEDICA
MEDICA
-Agenti
-Agentiinfettivi
infettivi(virus,
(virus,batteri,
batteri,
funghi,..)
funghi,..)
-Malattie
-Malattiegenetiche
genetiche
CONTROLLO
CONTROLLOIINDUSTRI
NDUSTRIAA
AGRO
AGRO
• GMO
Determinazione delle
dellespecie
specie
••Determinazione
microbiologia
••microbiology
Rivelazione
di allergeni
••allergen
detection
Tempo di analisi ~ 1 h
CONTROLLO
CONTROLLO
AMBIENTALE
ENTALE
AMBI
Micorbilogia aria/
acqua
••microbiology
air/ water
I n-check e’disegnato come una piattaforma aperta per analisi del DNA
veloci ed altamente automatizzate
I n-check e’ adatto idealmente per applicazioni che richiedono un tempo
veloce di risposta su un pannello di media densita’.
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DNA
D ou ble St r a nd DN A
Base
Base Pair
Pair
Complementary
Complementary nucleotide
nucleotide
bases
bases held
held together
together by
by
hydrogen
hydrogen bonding:
bonding:
G
-C &
-A
T
G-C
& TT-A
Sin gle St r a n d DN A
dsDNA
dsDNA -- ssDNA
ssDNA
Two
ss)DNA
ss)DNA
Two single
single strands
strands ((ss)DNA
are
are held
held together
together in
in the
the shape
shape
double
helix
(double
of
a
of a double helix (double
strands
dsDNA
strands dsDNA)
dsDNA) by
by the
the bonds
bonds
between
between their
their base
base pairs.
pairs.
N u cle ot ide s
II bridazione
bridazione
Selectively
Selectively binding
binding specific
specific
segments
segments of
of single
single strands
strands
ssDNA
DNA
to
complementary
ss
ssDNA to complementary
sequences.
sequences.
Ph osph a t e Su ga r
4 Ba se s
Adenine Guanine Cytosine Thymine
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Amplificazione: PCR
Polymerase Chain Reaction
Cicli r ipe t ut t i di r isca lda m e nt o e
r a ff r e dda m e nt o m olt iplica no il D N A t a r ge t
e spone nz ia lm e nt e
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44
Pcr.exe
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45
1
PCR - DNA Amplif icat ion
Example
Unknow n
DNA sample
2
1st Cycle
Multiplication
after 30 cycles
3
Graf t ing
T
C
G
C
A
A
A
C
T
T
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I n MI CAM Process
PCR products are
ssDNA marked by
florescent labels
G
G
G
G
T
A
G
C
G
T
Det ect ion
T
C
G
C
A
A
G
C
G
T
A
A
C
T
T
G
G
G
G
T
46
In-checkTM:
Piattaforma
elementi principali
Sistema di
controllo termico
Contenuto biologico
da partners ST
Biochip
Pat hogen A
Pat hogen B
Pat hogen C
Marker A
Lettore
Marker B
Piattaforma
Software
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Cuore dell’In-check: Biochip in silicio
Riscaldatori e sensori
Inlet
Spotting
Detection ottica
Camere per PCR
PCR - Outlet
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Cuore dell’ In-checkTM: tecnologia dei canali
Topologia Inlet
Canali PCR
INLET
OUTLET
Canali sepolti
Bio-compatible
channel coating
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49
Temperature (°C)
Cuore dell’In-checkTM:
Reattore PCR ultra veloce
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Initial
Denaturation
Denaturation
Synthesis
Termociclatore convenzionale
sensor1
sensor2
Annealing
sensor3
sensor4
# PCR cycle
Time (2s/div)
• Rate di variazioni di T: riscaldamento: tipicamente 40°°C\ s;
raffreddamento: tipicamente 10°°C\ s
•Accuratezza: 0.1°°C
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In-check core: Interfaccia fluidica
Sealing vs PCR cycles
6
Recovered sample [ul]
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
0
10
20
30
40
50
60
70
PCR cycles
• Interfaccia fluidica “User Friendly”
• Chiusura perfetta per PCR e ibridazione
• Mantiene costante la concentrazione dei reagenti
• I ndustrializzazione – COMPANY CONFI DENTI AL
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51
Sistema di controllo termico multiplo
•Microcontrollore ST
•Alte temperature con un
accuratezza di 0.10C
PERFORMANCE
5 diverse srtazioni di controllo indipendenti
Esegue allo stesso tempo test uguali o differenti
Sistema modulare versatile che ha la possibilita’ di adattarsi ai bisogni della
diagnostica su larga scala che ad applicazioni di “Point-of-Care”
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Lettore ottico compatto
Automatico
•Griglia di
allineamento
•Settaggio delle
ottiche
•Strumenti di analisi
di microarray
PERFORMANCE
Tempo di acquisizione di pochi secondi
Facile da usare nell’uso estensivo – incluse opzioni per utilizzatori esperti
Costi ragionevoli per applicazioni “point-of-care”
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53
In-check
Check2.exe
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Preparazione del campione
Tempo di analisi ~ 1 h
Separazione corpuscoli
del sangue
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55
Dielettroforesi: Principio
In un campo elettrico non uniforme, una particella nonconduttiva e’ spinta in direzione di campo elettrico piu’
intenso se essa e’ maggiormente polarizzabile rispetto al
mezzo in cui e’ immersa. Se e’ meno polarizzabile, si
muovera’ nel verso opposto
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56
Estrazione del DNA: Preparazione del
campione
PCR
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57
Movimento di particelle neutre
mediante dielettroforesi
fCM fattore di Clausius Mosotti
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58
Disegnando il sistema si puo’ controllare:
Forma del campo (forma degli elettrodi)
Usando campi elettrici variabili si aggiungono nuovi
gradi di liberta’:
Frequenza del campo variabile
Sequenza di attivazione dei vari elettrodi.
Una cellula puo’ essere mossa in una data direzione, in un
mezzo liquido in base a:
Dimensione della cellula
Composizione della cellula
Forma della cellula
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59
Dielettroforesi
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60
Separabilita’ teorica mediante DEP
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61
Filmati DEP
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62
Sommario
•
Introduzione
• STMicroelectronics
• Divisione di microfluidica
Microfluidica: concetti base
• Superfici idrofobiche ed idrofiliche
• Angolo di contatto
• Equazione di Young
• Lotus Effect
Strutture microfluidiche
• Soft litography
• Wet etching in silicio
Piattaforma In-check
• Concetto ed applicazioni
• Cuore delle tecnologia
• Biovalidazione
• Dielettroforesi
Dispositivi microfluidici
• Micropompe a membrana
•
Micropompe SAW
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63
MICROPOMPE
Qmax massimo flusso volumetrico misurato
pmax massima differenza di pressione misurata
Sp
dimensioni totali della micropompa
fsp= Qmax/ Sp frequenza di autopompaggio
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V, f
tensione e frequenza di lavoro
P
potenza di consumo
=Q p/P efficienza termodinamica
64
MICROPOMPE a membrana
A
A
(dm)
Camera di pompaggio
attuatore
Valvola di
entrata
diaframma
Sezione A-A
scarico
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Valvola di
uscita
(a)
(b)
carico
65
MICROPOMPE a piu’ camere di
POMPAGGIO
LIQUIDO IN
ENTRATA
LIQUIDO IN
USCITA
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66
Tipi di attuatori
Fluido di trasporto
(T0, P0)
Riscaldatore a
film sottile
Disco piezoelettrico
polarizzazione
(c)
scarico
elettrodi
(a)
Disco piezoelettrico
Scarico
polarizzazione
(d)
Alta
pressione
(b)
Scarico
rientro
(e)
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carico
Flusso di
gas nella
camera
secondaria
scarico
67
Micropompa piezoelettrica a
diaframma
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68
Micropompa per la somministrazione
di insulina
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69
Micropompa
SAW (surface acustic wave)
ν SAW
f=
λ
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70
Liquido in “agitazione”
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71
Deformazione e movimento della
goccia
t = 0s la goccia assume
una forma sferica sul
substrato idrofobico
Potenza RF= 0
P < PT vibrazione della superficie libera
della goccia
P = PT inizia il movimento della goccia
P = PT movimento della goccia a
velocita’ costante
t = 0.0056 s la goccia si piega
sul lato nella direzione di
propagazione SAW
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t = 0.0028 s la goccia si
solleva e l’interfaccia
liquido/solido diminuisce
t = 0.0084 s la linea di contatto
delle 3 fasi avanza e la goccia
assume nuovamente forma
sferica
72
Movimentazione di gocce
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73
Filmati di micropompe SAW
First BioInterface School
Lecce 12-16 novembre 2006
74
Grazie!
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Lecce 12-16 novembre 2006
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