VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY

Transkript

1 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 1 Vysoká škola chemicko-technologická SEMESTRÁLNÍ PŘEDMĚT VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY

2 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 2 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 Zdenek.Slouka@vscht.cz

3 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 3 Úvod do problematiky mikrofluidiky

4 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 4 WIKIPEDIA 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 George M. Whitesides "What is microfluidics? It is the science and technology of systems that process or manipulate small (10 9 to litres) amounts of fluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres."

5 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 5 Mikrofluidika Mikrofluidní aparáty = Zařízení s mikrometrovými charakteristickými rozměry určená pro manipulaci a zpracování tekutin nebo detekci komponent v tekutinách. Průměr nebo šíře kanálku jsou nejčastějšími charakteristickými rozměry d d = mm d

6 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 6

7 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 7 Mikrofluidika typická zařízení Mikrokanálkové elektrodové pole (UCHI VŠCHT). Mikročip pro bioanalýzu (UCHI VŠCHT). Mikroreaktor (MESA+ Institute for Nanotechnology) Mikrofluidní dělič (Micronit).

8 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 8 HISTORIE: technologie pro výrobu polovodičových integrovaných obvodů - litografické metody, technologie křemíku = nalézá využití i v jiných oblastech (elektromechanické systémy a senzory) první LOC: plynový chromatograf (S.C. Terry - Stanford University) 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) PDMS technologie pro jednoduchou a rychlou výrobu mikrofluidních systémů

9 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 9 KILLER APPLICATION: stále se hledá

10 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 10 George M. Whitesides citace z roku 2006 "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."

11 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 11 MIKROFLUIDIKA JE POPULÁRNÍ microfluidics: záznamů na google microfluidic: záznamů na google zdroj Web of Knowledge- microfluidics

12 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana , Yole Development Illumina ctdna (liquid biopsies): $200 billion

13 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 13 Microfluidics Market worth $7.5 Billion by Health Care Microfluidics Market to Hit $4 Billion by

14 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 14 LAB-ON-A-CHIP - zařízení, které integruje jednu nebo více laboratorních funkcí většinou na ploše o několika cm 2 - poskupina tzv. micro-electro-mechanical-systems (MEMS) - jiné označení: microtas (micro-total Analysis System)

15 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 15 (MIKRO) JEDNOTKOVÉ OPERACE - mikroreaktory, mikromísiče, mikropumpy, mikroseparatory, mikroextraktory, tepelné mikrovýměníky, atd.

16 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 16 POINT-OF-CARE TESTING - těhotenské testy - glukózový test - kolorometrické, elektrochemické - detekce hcg (human chorionic gonadotrophin) - hormon, který se exkretuje do moči 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)

17 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 17 Mikrofluidní aplikace = interdisciplinární obor Úspěšný vývoj aplikací využívajících komplexní mikrosystémy vyžadují rozsáhlé teoretické znalosti i experimentální dovednosti. Chemické inženýrství Analytická chemie Elektrochemie Anorganická a organická chemie Mikrofluidika Fyzika Biologie Biochemie

18 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 18

19 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 19 RHODAMINE: VORTICES ON THE MEMBRANE DNA: 0uM DNA: 1uM DNA: 10uM FLUORESCEIN: CHANGE IN ph DNA: 0uM DNA: 1uM DNA: 10uM

20 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 20 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.)

21 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 21 Vlastnosti malé charakteristické dimenze Příklad modulární mikrotovárny (Ehrfeld): sulfonace toluenu. 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. Zplyňování mazutu (Chemopetrol Litvínov).

22 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 22 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.

23 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 23 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) mg Goodpasture antigen 2500 Typická objemová spotřeba vzorků při klasických aplikacích a mikroaplikacích ELISA deska 100 ml Mikrokanál 10 mm 10 mm 1 cm 0,001 ml

24 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 24 Vlastnosti snadná paralelizace 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. Typickým příkladem vysoce paralelizovaných zařízení jsou DNA a proteinové čipy.

25 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 25 Vlastnosti velký vnitřní povrch 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 10 5 m -1 porézní katalyzátor m -1 Monolit automobilový katalyzátor s vysokou hodnotu vnitřního povrchu a objemu.

26 Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy Přednáška #1 Strana 26 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