Mikrofluidika

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

A MEMS egy betűszó, ami a Micro-Electro-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

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

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

Felületi feszültség
Energia disszipáció
Folyadék ellenállás
Reynolds-szám
Viszkozitás
Áramlási tulajdonságok

LOC

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

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

Mivel egy új és jelenleg is gyorsan fejlődő tudományterületről van szó, a fogalomtár folyamatos bővülése, a meglévő fogalmak tartalmának kisebb változása várható. A fogalmak nagy része 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

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.

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
Squires, T. M.; Quake, S. R.; Reviews of Modern Physics 2005, 77, 977-1026. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale
Landers, J. P.: Handbook of Capillary And Microchip Electrophoresis And Associated Microtechniques, CRC Press, 2008 (ISBN 0849333296)

További információk

Források

↑ http://mahara.eet.bme.hu/view/view.php?id=100^{[halott link]}
↑ http://www.papyrus.com/huHU/services.htm?uniqueName=services&select=8900054&expand=8900054
↑ 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.
↑ Kirby, B.J.. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices [archivált változat]. Cambridge University Press (2010). Hozzáférés ideje: 2012. december 6. [archiválás ideje: 2019. április 28.]
↑ Karniadakis, G.M., Beskok, A., Aluru, N.. Microflows and Nanoflows. Springer Verlag (2005)
↑ Bruus, H.. Theoretical Microfluidics. Oxford University Press (2007)
↑ Woias, P, Micropumps - past progress and future prospects, Sensors and Actuators B. Vol. 105, no. 1, pp. 28-38. 14 Feb. 2005

[1] ttp://mahara.eet.bme.hu/view/view.php?id=100^{[halott link]}

[2] ttp://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.

[Kirby-4] Kirby, B.J.. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices [archivált változat]. Cambridge University Press (2010). Hozzáférés ideje: 2012. december 6. [archiválás ideje: 2019. április 28.]

[Karniadakis-5] Karniadakis, G.M., Beskok, A., Aluru, N.. Microflows and Nanoflows. Springer Verlag (2005)

[Bruus-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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]