El Laboratorio en un · PDF file11 Microfluídica: aspectos principales Para comprender...
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El Laboratorio en un chip Antonio González Fernández Grupo de Electrohidrodinámica Universidad de Sevilla 2 Contenidos Introducción Conceptos de microfluídica Fuerzas sobre biopartículas Fuerzas sobre los líquidos Ejemplos Aplicaciones prácticas
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El Laboratorio en un chip
Antonio González FernándezGrupo de ElectrohidrodinámicaUniversidad de Sevilla
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Contenidos
Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosEjemplosAplicaciones prácticas
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Ejemplo de laboratorio en un chip: analizador de muestras de sangre
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El laboratorio en un chip: ventajas de laminiaturización
Sustituir tubos de ensayo, vasos de precipitado, vasos de cultivos de células, cromatógrafos de líquidos, citómetros, … por microsistemas programables que lleven a cabo estos análisis biomédicos y/o químicos .Promete una paralelización masiva, superior velocidad, automatización...Campos de aplicación de estos chips:
microreactores para la industria química sistemas de control del doping detección de microbiosherramientas en investigación genética.
La habilidad para producir gran número de reacciones químicas diferentes simultáneamente.
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Ejemplo: Microbomba construida a partir de electrodos sucesivos desfasados
0º90º
180º270º
0º90º
180º270º
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Ejemplo: Micromezclador empleando cuatro electrodos desfasados
0º 90º
180º270º
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Contenidos
Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosEjemplosAplicaciones prácticas
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Biopartículas: partículas de material orgánico (vivas o muertas)
Bacterias: 0.5-5μmVirus: 20 -400 nm
Partículas de látex: ≥0.2μmCélulas: 10 -100 μm
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MEMS: Microsistemas electromecánicos
MicroElectroMechanicalSystems: son dispositivos en los que los tamaños característicos son del orden de la micraCombinan sistemas mecánicos (micromotores) y eléctricos (con electrodos micrométricos)Si además hay disoluciones y líquidos se dice que tenemos microfluídica.
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Resumiendo...
La fusión de mecánica de fluidos y electrostática constituye la electrohidrodinámica (EHD)La aplicación de la EHD a sistemas micrométricos constituye la microfluídicaLos dispositivos empleados en microfluídica son parte de los MEMS (microelectromechanicalsystems)Estos dispositivos son importantes para el análisis y control de biopartículas
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Microfluídica: aspectos principales
Para comprender los principios físicos en que se basan los “lab-on-a-chip” debemos caracterizar:
Las dimensiones y propiedades de los microsistemasEl comportamiento de los líquidos en escalas pequeñasEl comportamiento de las partículas sumergidas en disoluciones (suspensiones)
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Escalas: la naturaleza se comporta de forma diferente según el tamaño
Al cambiar las escalas cambia el comportamiento de los sistemasLa física clásica sigue siendo válida, pero el comportamiento de los objetos microscópicos es diferente del de los macroscópicosLa importancia relativa de las distintas fuerzas cambia al reducir la escala:
GravedadInercia
Tensión superficialViscosidadFuerzas electrostáticas
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Cambiando de escala: El hombre contra el insecto
Hombre (~2m) Insecto (~2mm)
Gravedad
Tensión superficial
Dominante
Dominante
Insignificante
Insignificante
1 2mmgl
ll g
ρ γ⇒
γ ρ∼ ∼ ∼La transición
ocurre cuando
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Viscosidad: medida de la fricción interna de un líquido
Todo fluido posee una fricción interna, medida por la viscosidad, η (¡no confundir con la densidad!)
0.02Aire
250000Nocilla
50000-70000Ketchup
2000-10000Miel
1000-2000Aceite de motor
500Glicerina
100Aceite de oliva
1Agua
η (g/(s·m)) (apr.)Sustancia Para medir su importancia se usa el número de Reynolds
Re/
Lv=η ρ
L: longitudv: velocidad
Buceo:Hombre: Re~104
Pececillo: Re~102
Bacteria: Re~10-4
Para una bacteria, el efecto de la viscosidad es enorme
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Movimiento de una partícula en suspensión: parte arrastre, parte empuje
La física en microfluídica no es newtoniana, sino aristotélica.Se debe al intenso rozamiento viscoso y la pequeña masa de las partículas
( )m = − γ −a F v u u: Velocidad del líquido circundante
: Coeficiente de fricción (R: radio de la partícula, η:viscosidad)
6 Rγ = π ηInercia Fuerza aplicada
La inercia de las biopartículas es despreciable, por su pequeña masa
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La velocidad, en vez de la aceleración, es proporcional a la fuerza
La velocidad de una partícula es
m= + −
γ γF a
v u μ: movilidadm
= + − +γ γ γF a F
v u um
= + − + = +μγ γ γF a F
v u u u F
Podemos controlar la partícula:Empleando fuerzas sobre la partícula (modificando F)Moviendo el líquido que la rodea (modificando u)
A menudo estos movimientos son indeseadosInteresa ver qué efecto es el más importante
ArrastreAcción directa
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Contenidos
Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosEjemplosAplicaciones prácticas
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Gravedad: La partícula está sometida a su peso y al empuje
Suponiendo una partícula en una disolución acuosa
La gravedad no sólo es despreciable porque la partícula es pequeña, sino que se ve reducida por el empuje
( )g
2
6
2
9
p
p
a
a
ρ τ − ρτ= =
π η
ρ − ρ=
η
g gv
g ρpτg
ρτg
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Electroforesis: Movimiento de partículas por fuerzas eléctricas sobre cargas
Todas las partículas adquieren una cierta carga
A su alrededor se acumula carga del signo opuestoAplicando un campo eléctrico estático se genera una fuerza sobre ellas y sobre el líquidoLa partícula y el líquido se mueven en sentidos opuestos
E∞
F
u
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Electroforesis: Diferentes partículas se mueven de forma diferente
La velocidad de la partícula y su desplazamiento dependen de su carga y su tamañoEsto permite analizar la composición de una mezcla
V0V0V0V0V0V0
Es una técnica habitual en el análisis de ADN
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Dielectroforesis: Fuerza eléctrica sobre dipolos inducidod
La electroforesis sólo funciona con corriente continuaSi se aplica un campo alterno, no se produce un efecto neto sobre la cargaSí se actúa sobre el momento dipolar inducido
E
p
= αp E
( )= ⋅∇F p E
α: polarizabilidad
Sólo hay fuerza si el campo no es uniforme
En c.c. el dipolo tiende a ir hacia el campo más intenso
( ) ( )( )*1Re
2= ⋅∇ = ⋅∇ ≠F p E p E 0
En c.a. hay que usar amplitudes complejas (fasores)
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Dielectroforesis: su signo es función de la frecuencia
En c.a. α es un número complejo, que incluye un posible desfase, dependiente de la frecuenciaEllo hace que en ocasiones, el momento dipolar vaya en sentido opuesto al campo eléctrico
E
p
E
pDEP positiva
DEP negativa
0.5 MHz 5 MHz
Las partículas se van a campos intensos
Las partículas se van a campos débiles
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Movimiento browniano: causado por choques aleatorios
El movimiento de las partículas no es puramente determinista, sino brownianoSe debe a los choques con los átomos del líquido
En un instante puede haber más de un lado que del otroEn promedio es nulo
Provoca dispersión
( )rand t =F 0
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3Bk T
x Dt ta a
Δ = = ∝π η
Es muy importante para partículas pequeñas
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Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosEjemplosAplicaciones prácticas
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Fuerzas en el líquido: producen una distribución de velocidades
El movimiento del líquido está gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes
Además tenemos las condiciones de contorno
· 0∇ =u ( ) 2· pt
∂⎛ ⎞ρ + ∇ = −∇ +η∇ +⎜ ⎟∂⎝ ⎠u
u u u f
Despreciable si Re <<1Fuerza por u.de volumen
=u 0En las paredes rígidas
z
u
xConocidas las fuerzas (de volumen o de superficie) puede calcularse la velocidad
n
∂=
∂u
0En las superficies libres
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Flotación: el líquido caliente sube, el frío baja
Cuando existe una distribución de temperaturas no uniforme, la densidad depende de la posición
Si el líquido menos denso queda abajo, pueden producirse corrientes de convecciónSólo son importantes en sistemas grandes o para gradientes de temperatura muy intensos
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Gradientes de temperatura: poseen causas externas o internas
El gradiente de temperatura en el líquido puede ser debido a:
Causas externas: por ejemplo, la iluminación del sistemaCausas internas, asociadas a la producción de calor en el sistema, por ejemplo, por efecto Joule
Iluminación Efecto Joule
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Electroosmosis: debida a la fuerza sobre las cargas disueltas en el líquido
Una disolución salina (NaCl o KCl en agua) no es una distribución estática de cargas, sino una “sopa” de iones en constante agitación térmicaLa acción de un campo eléctrico sobre esta sopa puede mover los iones y estos arrastrar el líquido
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Electroosmosis: las cargas se concentran junto a las superficies
En la mayor parte del líquido, las cargas se cancelan y el efecto es nuloCerca de las superficies cargadas (electrodos o partículas) se produce una acumulación de carga neta (capa doble)El espesor de la capa doble es muy pequeño (λd~10nm)
λd
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Electroosmosis: sirve para producir movimiento continuo del líquido
La aplicación de un campo tangencial a la superficie produce fuerzas en la capa doble, que arrastran al líquidoLa velocidad es proporcional al campo aplicado
El flujo electroosmótico es más eficiente que el debido a diferencias de presiones para bombear en capilaresEs de aplicación en la fabricación de microbombas
Flujo de Poiseuille (producido por una diferencia de presiones) Flujo electroosmótico
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La corriente alterna puede provocar movimiento continuo por electroosmosis
Un campo alterno no tiene efecto neto sobre la carga estática, pero sí sobre la inducida por él mismoEste fenómeno depende de la frecuencia y de la amplitud de la señal aplicadaEs importante a bajas frecuencias (f ~ (σ/ε)(λ/L) ~ 1kHz)Con diferentes disposiciones de electrodos pueden construirse microbombas y micromezcladores
0º90º
180º270º
0º90º
180º270º
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( )·j
σ∇ε− ε∇σρ =
σ+ ωεE21
2= ρ − ∇εf E E
Fuerzas electrotérmicas: fuerzas sobre cargas asociadas a los gradientes de T
Los gradientes de temperatura (externos o internos) producen gradientes de permitividad y de conductividad, ya que ε = ε(T) y σ = σ(T)
∇ε y ∇σ provocan densidades de carga, que se acumula al pasar de zonas de mayor a menor conductividadAparece una fuerza de volumenEsta fuerza puede mover el líquido, siendo la velocidad dependiente de la frecuenciaEs importante a altas frecuencias (f ~ σ/ε ~ 1MHz)
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Resumen de fuerzas en microfluídica
Electrotérmicas por causas externas
Electrotérmica por efecto Joule
Electroosmosis ACMovimiento Browniano
ElectroosmosisDielectroforesis
Flotación por efecto JouleElectroforesis
Flotación por causas externas
Gravedad
Sobre el líquidoSobre la partícula
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Contenidos
Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosUn ejemplo concretoAplicaciones prácticas
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Sistema de onda viajera: descripción
0º90º
180º270º
0º90º
180º270º
Microscope Objectives
Electrodes
Microscope Objectives
Electrodes
Microscope Objectives
Electrodes
Microscope ObjectivesMicroscope Objectives
Electrodes
Consideramos un sistema periódico de electrodos con voltajes alternos desfasados T/4Los electrodos está montados sobre un vidrioPor encima hay una disolución de KCl en aguaSe emplean partículas de látex como trazadoras
El conjunto se ilumina desde arriba y se observa lateral y cenitalmente
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Sistema de onda viajera: resultados
Para este sistema pueden calcularse todas las fuerzas aproximadamente¿Qué efecto es el dominante?
1kHZ: TWEO 3.5MHz: ETh
3 4 5 6 7 8 9
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
TWEO1V
ET20V
log(f)
v
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Sistema de onda viajera: comparación de fuerzas (I)
Pueden trazarse mapas de las regiones de dominio
2 3 4 5 6 7 8 9-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Brown.
TWEO
ET(J)
TW
DE
PElec
trolis
is
log( )f
log(
)V
0
2 3 4 5 6 7 8 9-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Brown.
ET(J)
TWEO
Ebullición
TW
DE
P
Electro
lisis
log( )f
log(
)V
0
σ = 0.001S/m, a=250nm, λ=100μm σ = 0.1S/m, a=250nm, λ=100μm
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Sistema de onda viajera: comparación de fuerzas (II)
V0=10V, f=100kHz, σ=0.1S/m V0=10V, a=250nm, σ=0.1S/m
-6 -5 -4 -3 -2-8
-7
-6
-5
-4
-3
log( )λ
log(
) a
Ele
ctro
lisis T
WD
EP
TWEO
Gra
v.F
lota
ción
2 3 4 5 6 7 8 9-6
-5
-4
-3
-2
TWDEP
Ele
ctro
lisis
log(
)λ
TWEO
Flotación
log( )f
ET(J)
En sistemas grandes domina la gravedad
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Contenidos
Introducción Conceptos de microfluídicaFuerzas sobre biopartículasFuerzas sobre los líquidosUn ejemplo concretoAplicaciones prácticas
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Algunos ejemplos reales
Micromezcladores
Analizadores de ADN Microbomba
Separador
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Conclusiones
Interesa construir dispositivos micrométricos:Mezcladores y separadoresCámaras de reacciónMicrobombas...
Estos dispositivos se integran en los “Lab-on-a-chip”.Es necesario comprender los principios físicosEl movimiento de partículas en líquidos incluye
Acción directa sobre las partículasMovimiento del líquido circundante
El movimiento del líquido puede ser deseable o perjudicial, pudiendo impedir el control de las partículasComparando las distintas fuerzas implicadas, pueden determinarse las dimensiones y parámetros adecuados para una función concreta
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Trabajos propuestos:
1. Estructura de la capa doble 2. Aplicación de la electroforesis al análisis
de proteínas3. Funcionamiento de un analizador de ADN
usando MEMS
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Conclusiones
Interesa construir dispositivos micrométricos:Mezcladores y separadoresCámaras de reacciónMicrobombas...
Estos dispositivos se integran en los “Lab-on-a-chip”.Es necesario comprender los principios físicosEl movimiento de partículas en líquidos incluye
Acción directa sobre las partículasMovimiento del líquido circundante
El movimiento del líquido puede ser deseable o perjudicial, pudiendo impedir el control de las partículasComparando las distintas fuerzas implicadas, pueden determinarse las dimensiones y parámetros adecuados para una función concreta
