Mikrofluidika

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search

Mikrofluidika ir gan zinātne, kas pēta šķidrumu uzvedību mikrokanālos, gan tehnoloģija, lai ražotu mikrominiaturizētas ierīces, galvenokārt mikroshēmas, kas satur kameras un tuneļus, caur kuriem var plūst vai tikt noslēgti šķidrumi[1]. Mikrofluidika ir starpdisciplināra nozare, kas apvieno inženieriju, fiziku, ķīmiju, bioķīmiju, nanotehnoloģiju un biotehnoloģiju. Mikrometru skalā šķidrumi uzvedas daudz citādāk nekā ikdienā, kas ļauj šo tehnoloģiju izmantot jauniem zinātnes eksperimentiem un inovācijām[1]. Tipiski pielietojumi iekļauj ķīmiskos sensorus, plūsmas regulatorus, mikrosprauslas un mikrovārstus[2]. Zināms, ka Latvijā mikrofluidika tiek izmantota, lai izdalītu augstas kapacitātes ārpusšūnu vezikulu[3] kā arī lai izpētītu šķidrumu plūsmas apkārt magnētiski mīkstiem materiāliem[4].

Mikrofluidikas mikroshēma, kas iestrādāta stikla pamatnē. Plūsmas kanāli ir 50µm dziļi un 150µm plati.


Šķidrumu uzvedība mikroskalā[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Šķidrumu uzvedība mikroskalā var atšķirties no uzvedības makroskalā, jo tādi faktori kā virsmas spraigums, enerģijas izkliede un šķidruma pretestība sāk dominēt sistēmā. Mikrofluidika pēta šo izmaiņu un kā to var izmainīt vai izmantot jauniem lietojumiem[5][6][7][8][9].

Nelielos mērogos (kanāla izmērs no aptuveni 100 nanometriem līdz 500 mikrometriem) parādās dažas interesantas un dažkārt pat ne acīmredzamas īpašības. Piemēram, Reinoldsa skaitlis, kas salīdzina šķidruma plūsmu ar viskozitātes iedarbību, var kļūt ļoti mazs. Galvenās sekas ir tas, ka, plūsmai kļūstot par lamināru nevis turbulentu, līdzplūstošie šķidrumi ne vienmēr sajaucas, kā arī molekulārajam transportam starp dažādiem slāņiem bieži vien jānotiek caur difūziju[10].

Izmantotie materiāli[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mikrofluidikas ierīcēm plaši izmantoti tiek polimēri to labo bioķīmisko īpašību un zemās cenas dēļ. Šo polimēru vidū visplašāk izmantots tiek polidimetilsiloksāns jeb PDMS, kas ir minerālorganiskais polimērs no siloksānu grupas[11]. PDMS ir piemērots mikroshēmu izgatavošanai, jo tas ir:

  • caurspīdīgs: mikrokanāli un to saturs ir pārskatāms;
  • elastīgs: iespēja izmantot dažādos pielietojumos, piemēram, vārstu izveidei, deformējot kanālus, kā arī elastību iespējams regulēt ar piemaisījumiem;
  • lēts: PDMS ir salīdzinoši daudz lētāks par citiem materiāliem, ko izmanto mikrofluidikas mikroshēmas izgatavošanai;
  • gāzu-caurlaidīgs: PDMS ir caurlaidīgs pret gāzēm, kas atļauj to izmantot, piemēram, gāzu sensoros u.c.

Taču PDMS izmantošanai mikrofluidikas mikroshēmās ir apgrūtinājumi, piemēram, materiāla novecošana ierobežo darbību izpildes kvalitāti gadu laikā, kā arī PDMS nav ķīmski saderīgs ar daudziem organiskajiem šķīdinātājiem, padarot to pielietojamu galvenokārt tikai ar ūdeni saistītās sistēmās[11]. Vēl viens PDMS trūkums neiespējama elektrodu ievietošana PDMS materiālā. Lai arī PDMS nodrošina ātru un vienkāršu mikrofluidikas mikroshēmu izgatavošanu, tam ir šķēršļi dažādiem pielietojumiem, taču to var labot, mainot vai jaucot izvēlēto materiālu ar citu polimēru[12][13]. Mikroshēmu izstrādei tiek izmantots arī polisterēns (PS)[14][15]. PS ir optiski caurspīdīgs, biosaderīgs, inerts, ciets un tā virsmu var funkcinalizēt. Mikrofluidikas ierīču izgatavošanai bieži tiek izmantots arī polimetilmetakrilāts (PMMA)[16][17] un polikarbonāts (PC)[18]. PC ir sliktāka siltumvadītspēja nekā PMMA un tāpēc var tikt izmantots plašākā temperatūru diapazonā.

Pielietojumi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Atvērtā mikrofluidika[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Atvērtā mikrofluidika balstās uz to, ka vismaz viena no robežām, kas ierobežo šķidruma plūsmu sistēmā, tiek noņemta, ļaujot šķidrumam mijiedarboties ar gaisu vai kādu citu šķidrumu[19][20]. Atvērtās mikrofluidikas priekšrocības ir iespēja plūstošajam šķidrumam mijiedarboties ar apkārtni, ir lielāks šķidruma-gāzes virsmas laukums, kā arī samazinās burbuļu veidošanās [21][22][23]. Šādas ierīces ir lēti izgatavot maļot, termiski formējot un iespiežot karstās veidnēs[24][25][26][27]. Turklāt atvērtās mikrofluidikas ierīcēs nav nepieciešams izmantot līmi, lai savienotu vai noklātu dažādas detaļas vietas, kas ietekmē veiksmīgu un kontrolētu plūsmu pa kapilāriem. Kā atvērtās mikrofluidikas piemēri minami atvērto kanālu mikrofluidika, uz sliedēm veidota mikrofluidika, papīra, kā arī pavedienu mikrofluidika.[28][29][30]. Šāda veida sistēmai ir trūkumi: uzņēmība pret šķīdrumu iztvaikošanu sistēmā[31], piesāņojums no apkārtējās vides[32] un ierobežots plūsmas ātrums[33].

Mikropilienu veidošanās mikrofluidikas ierīcē.

Pilienu mikrofluidika[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Pilienu mikrofluidika ir mikrofluidikas apakškategorija, kurā tiek veiktas manipulācijas ar diskrētiem šķidrumu daudzumiem, kuriem ir mazs Reinoldsa skaitlis un plūsma ir laminārā režīmā. Mainot sistēmas konstrukciju, iespējams iegūt mikropilienus no μl līdz fl tilpumā. Visbiežāk pilienu izveidei izmanto "T" formas kanālus[34]. Izmantojot metāla oksīda pārklājumus, ir iespējams optiski mainīt virsmas potenciālu un tādējādi laikā mainot plūsmu un radot pilienus[34]. Veiksmīgi izprotot un analizējot pilienu veidošanās mehānismus, iespējams iegūt sistēmas ar kurām var iekapsulēt šūnas, nodrošināt zāļu transportu ķermenī, enzīmu attīstību un ķīmiskajā sintēzē [35][36][37].

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. 1,0 1,1 «Microfluidics: A general overview of microfluidics». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  2. Patrick abeling. Introduction to Microfluidics. ISBN 978-0-19-958816-9. Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  3. http://biomed.lu.lv/ http://biomed.lu.lv/lv/petijumi/projekti/visi-projekti/augstas-kapacitates-arpussunu-vezikulu-izdalisana-ar-plusmas-lauka-frakcionesanas-metodi-mikrofluidika/. Skatīts: 2020. gada 8. maijā. Tukšs vai neesošs |title=
  4. «Gravity effects on mixing with magnetic micro-convection in microfluidics». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  5. V Shkolnikov. Principles of Microfluidics. ISBN 978-1790217281.
  6. Henrik Bruus. Theoretical microfluidics. Skatīts: 08.05.2020.
  7. Microflows and Nanoflows. Interdisciplinary Applied Mathematics.
  8. Brian J. Kirby. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Skatīts: 08.05.2020.
  9. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1480369. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  10. P Tabeling. Introduction to microfluidics. New York : Oxford University Press, 2005. Skatīts: 08.05.2020.
  11. 11,0 11,1 https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/microfluidics-applications-a-short-review/. Skatīts: 08.05-2020. Tukšs vai neesošs |title=
  12. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.5b03800. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  13. https://pubs.rsc.org/no/content/articlelanding/2009/lc/b907254c/unauth#!divAbstract. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  14. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/an/c2an36168j. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  15. https://link.springer.com/article/10.1007/s00542-011-1410-z. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  16. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400506002462. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  17. https://link.springer.com/article/10.1007/s10404-010-0633-0. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  18. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2010/lc/b924439e/unauth#!divAbstract. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  19. Microflows and Nanoflows: Fundamentals and Simulation. Interdisciplinary applied mathematics. 2005. ISBN ISBN-10:0-387-90819-6. Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  20. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1480369. Skatīts: 08.05.2020. Tukšs vai neesošs |title=
  21. Jean Berthier, Kenneth A Brakke, Erwin Berthier. Open Microfluidics. ISBN 9781118720936.
  22. «Microfluidics in the “Open Space” for Performing Localized Chemistry on Biological Interfaces». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  23. Anish Tuteja, Mathew Boban, Chiao-Ting Li. «Open-channel, water-in-oil emulsification in paper-based microfluidic devices». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  24. «Micromilling: A method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  25. «Low-cost thermoforming of micro fluidic analysis chips». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  26. «Hot embossing for fabrication of a microfluidic 3D cell culture platform». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  27. «Rapid prototyping of arrayed microfluidic systems in polystyrene for cell-based assays». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  28. «Surface-directed capillary system; theory, experiments and applications». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  29. «Suspended microfluidics». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  30. Open Microfluidics. Scrivener Publishing LLC. 2016. ISBN 9781118720936. Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  31. «Evaporation from open microchannel grooves». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  32. «Hollow Hydrogel Microfiber Encapsulating Microorganisms for Mass-Cultivation in Open Systems». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  33. «Microfluidics in the “Open Space” for Performing Localized Chemistry on Biological Interfaces». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  34. 34,0 34,1 «Microfluidics: Some Application Examples». Skatīts: 2020. gada 8. maijā.
  35. https://www.researchgate.net/publication/234161782_Droplet-Based_Microfluidics. Tukšs vai neesošs |title=
  36. https://www.researchgate.net/publication/335567117_Geometry_Effects_of_Axisymmetric_Flow-Focusing_Microchannels_for_Single_Cell_Encapsulation. Skatīts: 2020. gada 8. maijā. Tukšs vai neesošs |title=
  37. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/lc/c6lc00249h#!divAbstract. Skatīts: 2020. gada 8. maijā. Tukšs vai neesošs |title=