VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ...

Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 1

Vysoká škola chemicko-technologická

SEMESTRÁLNÍ PŘEDMĚT

VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY


Přednášky probíhají na Ústavu chemického inženýrství

VŠCHT, budově B, posluchárna BS1, vždy v pondělí od 8:00.

Přednášející

Ing. Zdeněk Slouka, Ph.D.

Kontaktní informace

tel. 2 2044 3251

e-mail [email protected]


Úvod do problematiky mikrofluidiky


MIKROFLUIDIKA

- multidisciplinární (inženýrství, fyzika, chemie, biochemie,

nanotechnologie, biotechnologie,....)

- návrh a konstrukce mikrosystémů, ve kterých se zachází s

malými objemy látek

- zabývá se chováním a přesným řízením a manipulací tekutin

uzavřených v geometriích s charakteristickým rozměrem

pod milimetr (mikrometry)

- běžné objemy tekutin: ml - fl

- aktivní a pasivní mikrofluidika

WIKIPEDIA

George M. Whitesides

"What is microfluidics? It is the science and technology of systems that

process or manipulate small (10–9 to 10–18 litres) amounts of fluids,

using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres."


Mikrofluidika

Mikrofluidní aparáty =

Průměr nebo šíře kanálku jsou nejčastějšími charakteristickými rozměry

d

Zařízení s mikrometrovými

charakteristickými rozměry

určená pro manipulaci

a zpracování tekutin nebo

detekci komponent

v tekutinách.

d = 1 – 1000 mm

d



Mikrofluidika – typická zařízení

Mikrofluidní dělič (Micronit).

Mikroreaktor (MESA+ Institute for

Nanotechnology)

Mikrokanálkové elektrodové pole

(UCHI VŠCHT).

Mikročip pro bioanalýzu (UCHI VŠCHT).


HISTORIE:

1954 - technologie pro výrobu polovodičových integrovaných obvodů

- litografické metody, technologie křemíku = nalézá využití i v jiných oblastech

(elektromechanické systémy a senzory)

1979 - první LOC: plynový chromatograf (S.C. Terry - Stanford University)

1980-2000 - především v Evropě vývéj mikropump, mikrosenzory pro měření průtoku

polovina 90-tých let: aplikace pro genomics (kapilární elektroforéza, DNA mikroarrays)

- následovaný zájmem DARPY (Defence Advanced Research Projects Agency)

o vývoj přenosných systémů pro detekci bio-chemických bojových látek

- mikroelektronika - celá řada technologií je dostupná (včetně materiálů =

křemík, sklo)

2000 - PDMS technologie pro jednoduchou a rychlou výrobu mikrofluidních systémů


KILLER APPLICATION: stále se hledá


"As a technology, microfluidics seems almost too good to be true: it

offers so many advantages and so few disadvantages (at least in its major

applications in analysis). But it has not yet become widely used. Why not?

Why is every biochemistry laboratory not littered with ‘labs on chips’?

Why does every patient not monitor his or her condition using microfluidic

home-test systems? The answers are not yet clear. I am convinced

that microfluidic technology will become a major theme in the analysis,

and perhaps synthesis, of molecules: the advantages it offers are too compelling

to let pass. Having said that, the answers to questions concerning

the time and circumstances required for microfluidics to develop into a

major new technology are important not just for this field, but also for

other new technologies struggling to make it into the big time."

George M. Whitesides citace z roku 2006


microfluidics: 1 960 000 záznamů na google

microfluidic: 2 930 000 záznamů na google

zdroj Web of Knowledge- microfluidics

MIKROFLUIDIKA JE POPULÁRNÍ


2013, Yole Development

Illumina – ctDNA (liquid biopsies): $200 billion


Microfluidics Market worth $7.5 Billion by 2020

http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/microfluidics.asp

Health Care Microfluidics Market to Hit $4 Billion by 2020 http://www.eweek.com/small-business/health-care-microfluidics-market-to-hit-4-billion-by-2020.html


LAB-ON-A-CHIP

- zařízení, které integruje jednu nebo více laboratorních funkcí většinou

na ploše o několika cm2

- poskupina tzv. micro-electro-mechanical-systems (MEMS)

- jiné označení: microTAS (micro-Total Analysis System)


(MIKRO) JEDNOTKOVÉ OPERACE

- mikroreaktory, mikromísiče, mikropumpy, mikroseparatory,

mikroextraktory, tepelné mikrovýměníky, atd.

http://www.degruyter.com/


POINT-OF-CARE TESTING

- těhotenské testy

- detekce hCG (human chorionic gonadotrophin)

- hormon, který se exkretuje do moči

- glukózový test

- kolorometrické, elektrochemické

Komerčně velice úspěšné aplikace, vyvinuly se nezávisle na mikrofluidice.

Mikrofluidika: vyvinout jednoduché systémy na detekci různých nemocí.

- potřeba biomarkerů, technologie k jejich detekci (komplexní vzorky)


Mikrofluidní aplikace = interdisciplinární obor

Úspěšný vývoj aplikací využívajících komplexní mikrosystémy vyžadují

rozsáhlé teoretické znalosti i experimentální dovednosti.

Mikrofluidika

Chemické inženýrství

Elektrochemie

Fyzika

Biochemie

Biologie

Anorganická a organická chemie

Analytická chemie



RHODAMINE: VORTICES ON THE MEMBRANE

FLUORESCEIN: CHANGE IN pH

DNA: 0uM DNA: 1uM DNA: 10uM

DNA: 0uM DNA: 1uM DNA: 10uM


Základní rozdělení mikrofluidních systémů

• Mikromaticové systémy

– matice míst s chemicky nebo biochemicky aktivní vrstvou

– převážně pro kvalitativní analýzu

– vysoce paralelizovaná zařízení (DNA čipy)

– velmi rozšířené

• Mikrofluidní čipy

– kanálková zařízení s dávkováním tekutin

– nižší stupeň paralelizace

– méně rozšířené a pro velmi specializované aplikace

Celá řada dalších typů mikrofluidních systémů:

papírová mik. (paper-based mic.), digitální mik. (digital mic.)


Vlastnosti – malé charakteristické dimenze

Zplyňování mazutu (Chemopetrol Litvínov).

Příklad modulární mikrotovárny (Ehrfeld):

1. tepelný výměník, 2. mísič, 3. ventil, 4.

bezpečnostní ventil, 5. čerpadlo, 6.

vyhřívaný modul, 7. extraktor, 8. trubkový

reaktor, 9. tepelný izolátor.

Příklad modulární mikrotovárny

(Ehrfeld): sulfonace toluenu.


Základní vlastnosti

• Snadná přenositelnost

• Relativně dobře definované podmínky

• Malý vnitřní objem

• Velký poměr vnitřní plochy a vnitřního objemu (hustota povrchu)

• Krátké transportní vzdálenosti

• Malé množství zpracovávaného reaktantu/analytu

• Velmi snadná paralelizace

Základní vlastnosti determinují oblasti, ve kterých mikrofluidika nalézá své uplatnění.

Nelze očekávat zásadní průnik mikrofluidiky do oblastí těžké chemie. Mikrofluidní aplikace

jsou stále častější v oblastech analytické chemie, biotechnologie, diagnostiky, výroba

farmeceutických produktů a speciálních chemikálií atd.


Vlastnosti – nízká spotřeba reaktantů

Malý vnitřní objem mikrofluidních kanálků a rezervoárů

zaručuje podstatně nižší spotřebu reaktantů a vzorků

oproti klasickým metodám. Uvedená vlastnost přináší

významné úspory zejména v bio a medicínských

aplikacích. Menší zátěž pro pacienty, kterým se

odebírají tělní tekutiny.

Orientační ceny některých biologických látek

10 mg lidské IgG v technické třídě 80 €

5 mg FITC-BSA konjugát (Invitrogen) 200 €

1 mg Goodpasture antigen 2500 €

Typická objemová spotřeba vzorků při klasických aplikacích

a mikroaplikacích

ELISA deska 100 ml

Mikrokanál 10 mm10 mm1 cm 0,001 ml


Vlastnosti – snadná paralelizace

Typickým příkladem vysoce paralelizovaných zařízení jsou DNA

a proteinové čipy.

Vysoký stupeň paralelizace umožňuje současnou analýzu mnoha vzorků

pomocí mnoha různých receptorů (mapování celého genomu, vyhledávání

lékových interakcí, screening potravin, analýza krevních vzorků aj.).

Paralelizace také umožňuje zvýšit množství vyrobených produktů

v případech, kdy je mikrofluidní technologie nezastupitelná.


Vlastnosti – velký vnitřní povrch

Monolit – automobilový

katalyzátor s vysokou

hodnotu vnitřního

povrchu a objemu.

V heterogenní katalýze je nutné zajistit velký mezifázový povrch, aby došlo

k intenzivnímu přestupu reaktantů a produktů mezi proudící tekutinou a pevným

nosičem katalyzátoru nebo receptoru. Jen tak je možno zajistit vysoké hodnoty

konverze v relativně malém zařízení. Typickými příklady heterogenních aplikací

jsou: automobilové katalyzátory, imunoanalýza na pevné fázi (např. ELISA).

Nárůst mezifázového povrchu se standardně řeší zvýšením členitosti povrchu

nebo použitím sypkých granulovaných nosičů katalyzátoru. V mikrofluidních

aplikacích je však často poměr povrch/objem dostatečný.

Hustota povrchu

CSTR reaktory – 1 m-1

mikrokanály – 105 m-1

porézní katalyzátor - 108 m-1


Vlastnosti - bezpečnost

• Malý vnitřní objem mikrofluidních zařízení zaručuje vyšší

bezpečnost při provádění chemických nebo biologických

transformací nebo manipulaci s tekutinami

• Riziko se snižuje například při manipulaci

s látkami

– výbušnými

– účastnícími se silně exotermních reakcí

– toxickými

– biologicky nebezpečnými

Date post:	26-Mar-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ...

Documents