Mikrofluidika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A mikrofluidika egy interdiszciplináris, a villamosmérnöki, gépészmérnöki, illetve molekulabiológiai tudományok határán elhelyezkedő, viszonylag új tudományterület.[1]

A mikrofluidika szó a mikro és az angol fluid (=folyadék) szavakból képzett összetett szó, és azt jelenti, hogy olyan folyadékok manipulációjával foglalkozik, ahol a folyadékok viselkedése eltér a makroszkopikus világban megszokottól. A mikro megjelölés jelentheti a kis méretet (100 mikrométer alatt), és/vagy a kis mennyiséget (100 mikroliter alatt), és/vagy a kis energiafelhasználást (100 mikrowatt alatt). A legtöbb mikrofluidikai rendszer olyan MEMS (Micro-Electro-Mechanical System=Mikroelektromechanikai rendszer), ami ezeket a különleges hatásokat kihasználva látja el a funkcióját.

MEMS[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A MEMS egy betűszó, ami a Microel-Ectro-Mechanical systems (mikroelektromechanikai rendszerek)–ből származik. A mikroelektromechanikai rendszerek kisméretű eszközök, melyek mérete a 20 mikrométer és az 1 milliméter közé esik. Az eszköz építőelemei 1–100 mikrométer nagyságúak. Ezek a rendszerek általában egy központi egységek tartalmaznak (mikroprocesszor), és ehhez kapcsolódó eszközöket, általában mikroérzékelőket és mikrobeavatkozó eszközöket. A kis méretek miatt a klasszikus fizika törvényei nem mindig alkalmazhatók. A mikrofluidikai rendszerek speciális MEMS rendszerek, ahol a folyadékok szerepe meghatározó.

A mikrofluidika kezdete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A mikrofluidika első alkalmazását a tintasugaras nyomtatótól számítják. Az első szabadalom mely a tintasugaras nyomtatási folyamatról tanúskodik 1867-ből való. A Siemens hozta kereskedelmi forgalomba az első gépet 1957-ben, az első olyan nyomtató pedig, ami a napjaink gépeihez leginkább hasonlít 1976-ban került piacra. A tintasugaras nyomtatók népszerűsége az 1980-as években kezdett el felfelé ívelni, a személyi számítógépek elterjedésével. A HP és a Canon nagyban hozzájárult ehhez az áttöréshez a termál tintasugaras technológia bevezetésével, míg az Epson a piezo technológiával. A számítástechnikai eszközök miniatürizálása tette lehetővé, hogy a mikrofluidikai eszközök is megvalósulhassanak. Ami minden tintasugaras nyomtatóban közös, az az, hogy parányi festékcseppecskéket juttatnak a papírra.[2]

Mikroszkopikus folyadék jellemzők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A folyadékok másként viselkednek mikroszkopikus méretekben, eltérően az ismert makroszkopikus viselkedéstől. Ilyen megváltozott jellemzők lehetnek:[3][4][5][6]

LOC[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A LOC, a ’Lab-On a Chip’–ből képzett betűszó, és azt jelenti, hogy egy chip-en egy kis laboratórium (mikrolaboratórium) állítható össze, néhány négyzetcentiméter vagy négyzetmilliméter területen. A mikrofluidikai LOC eszközök igen kis mennyiségű folyadékkal működnek, mely néha pikoliter nagyságrendben van. A legtöbb felhasználás az analízis területén található (kémiai analízis, orvosi diagnosztika, környezeti teszt, stb). A LOC-cal kapcsolatos kutatások, fejlesztések intenzíven folynak, együtt a nanotechnológiai kutatásokkal. A mikrolaboratóriumok az orvosi diagnosztikai eszközök új generációját alkotják.

Néhány mikrofluidikai alkalmazás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Mikropumpa
  • Tintasugaras nyomtató nyomtatófeje
  • Mikrofluidikai perfúziós rendszer sejtvizsgálatokhoz
  • Mikropumpa, implantálható célzott gyógyszerbevitelre,[7]
  • Digitális perisztaltikus pumpa, sejt feltöltésre
  • Mikrofluidikai üzemanyagcella
  • Optofluidikai eszköz: hangolható mikro lencse mátrix
  • DNS mikromátrix, proteinek kimutatására
  • DNS szekvencia kiolvasása
  • µTAS: Micro Total Analysis System (Teljeskörű mikro analitikai rendszer)

Általános fogalmak[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Mivel egy új és jelenleg is gyorsan fejlődő tudományterületről van szó, a fogalomtár folyamatos bővülése, a meglévő fogalmak tartalmának kisebb változása várható. A fogalmak nagyrésze az angol nyelvű szakszavak magyar fordításával jött létre. Sok esetben az angol nyelvű szakszó magyar nyelvi megfelelőjét még nem fogadta el teljes mértékben a szakma, és jelenleg többféle verzió is használatos (Például a „lab-on-a-chip” elnevezésnek még nincs magyar megfelelője. A magyar szaknyelvben mind a „chip”, és a „csip” írásmód használatos, de néha a „lapka” kifejezés is megjelenik.) Előfordulhat, hogy ugyanazon fogalmat több, kissé eltérő értelemben használnak.

A mikrofluidika (microfluidics) olyan eszközök és eljárások tervezésével, kivitelezésével és tanulmányozásával foglalkozó tudományterület, amelynél nL-pL térfogatú folyadékminták áramoltatása, manipulációja vagy elemzése történik. Egy másik gyakran használatos definíció szerint a mikrofluidika a folyadékoknak olyan csatornákban való áramlásával foglalkozik, melyeknek legalább egyik dimenziójának mérete 1-50 μm tartományú. (Az utóbbi definíció alapján azonban sok olyan klasszikus (pl. kromatográfiás, elektroforetikus) módszer is a mikrofluidika tárgykörébe tartozna, amelyeket többnyire nem értünk oda.)

A mikrofluidikai eszközök (microfluidic device) olyan legfeljebb néhány négyzetcentiméter területű eszközök (leggyakrabban lapkák), amelyek jellemzően μm-mm méretű folyadékrendszereket foglalnak magukba, és amelyekben nL-pL térfogatú folyadékminták áramoltatása, manipulációja, elemzése történik. A mikrofluidikai eszközök elnevezés mellett a mikrofluidikai csip (microfluidic chip) és a mikrocsip elnevezések is használatosak.

A mikrofabrikálás (microfabrication) olyan fizikai, kémiai módszerek összessége, melyekkel mikrofluidikai eszközöket lehet kialakítani.

A lab-on-a-chip olyan mikrofluidikai eszköz, amelyekben több laboratóriumi műveletet lehet egyidejűleg vagy egymást követően végrehajtani.

A fotolitográfia a mikrofabrikálás során gyakran használatos eljárás, melynek során egy hordozóra (pl. szilíciumlapra) felvitt fényérzékeny rétegből bizonyos részek szelektíven eltávolíthatók a fényérzékeny réteg maszkon keresztül történő megvilágítása és kémiai kezelés (pl. oldószeres előhívás) útján, μm-mm méretű struktúrák kialakítása céljából.

A lágy litográfia (soft lithography) olyan módszer, melynél egy megfelelő öntőforma segítségével rugalmas polimerekből (elasztomerekből), tipikusan polidimetilsziloxánból, mikrofluidikai eszközök másolatait (replikáit) lehet előállítani.

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Kirby, B.J: Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. (hely nélkül): Cambridge University Press. 2010.  
  • Iván Kristóf: Mikrofluidika és a hétköznapok. (hely nélkül): Élet és Tudomány. 47. szám. 2012.  
  1. Whitesides, G. M.; "The origins and the future of microfluidics"; Nature 2006, 442, 368-373. http://www.nature.com/nature/journal/v442/n7101/abs/nature05058.html
  2. Squires, T. M.; Quake, S. R.; Reviews of Modern Physics 2005, 77, 977-1026. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale
  3. Landers, J. P.: Handbook of Capillary And Microchip Electrophoresis And Associated Microtechniques, CRC Press, 2008 (ISBN 0849333296)

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. http://mahara.eet.bme.hu/view/view.php?id=100
  2. http://www.papyrus.com/huHU/services.htm?uniqueName=services&select=8900054&expand=8900054
  3. S. C. Terry, J. H. Jerman and J. B. Angell: A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer, IEEE Trans. Electron Devices, ED-26, 12 (1979) 1880-1886.
  4. Kirby, B.J.. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press (2010) 
  5. Karniadakis, G.M., Beskok, A., Aluru, N.. Microflows and Nanoflows. Springer Verlag (2005) 
  6. Bruus, H.. Theoretical Microfluidics. Oxford University Press (2007) 
  7. Woias, P, Micropumps - past progress and future prospects, Sensors and Actuators B. Vol. 105, no. 1, pp. 28-38. 14 Feb. 2005