VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY

Vícefunkční chemické a biochemické mikrosystémy

Přednáška #1

Vysoká škola chemicko-technologická SEMESTRÁLNÍ PŘEDMĚT

VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY

Strana 1


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. 2 2044 3251 e-mail [email protected]


Přednáška #1

Úvod do problematiky mikrofluidiky

Strana 3


WIKIPEDIA

Přednáška #1

Strana 4

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 10–18 litres) amounts of fluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres."


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 d = 1 – 1000 mm


Přednáška #1

Strana 6


Přednáška #1

Mikrofluidika – typická zařízení Mikrokanálkové elektrodové pole (UCHI VŠCHT).

Mikročip pro bioanalýzu (UCHI VŠCHT).

Mikroreaktor (MESA+ Institute for Nanotechnology)

Mikrofluidní dělič (Micronit).

Strana 7


Přednáška #1

Strana 8

HISTORIE: 1954 - technologie pro výrobu polovodičových integrovaných obvodů - litografické metody, technologie křemíku = nalézá využití i v jiných oblastech (elektromechanické systémy a senzory) 1979 - první LOC: plynový chromatograf (S.C. Terry - Stanford University)

1980-2000 - 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) 2000 - PDMS technologie pro jednoduchou a rychlou výrobu mikrofluidních systémů


Přednáška #1

KILLER APPLICATION: stále se hledá

Strana 9


George M. Whitesides

Přednáška #1

Strana 10

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."


Přednáška #1

MIKROFLUIDIKA JE POPULÁRNÍ microfluidics: 1 960 000 záznamů na google microfluidic: 2 930 000 záznamů na google

zdroj Web of Knowledge- microfluidics

Strana 11


Přednáška #1

Strana 12

2013, Yole Development

Illumina – ctDNA (liquid biopsies): $200 billion


Přednáška #1

Strana 13

Microfluidics Market worth $7.5 Billion by 2020 http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/microfluidics.asp

Health Care Microfluidics Market to Hit $4 Billion by 2020 http://www.eweek.com/small-business/health-care-microfluidics-market-to-hit-4-billion-by-2020.html


Přednáška #1

Strana 14

LAB-ON-A-CHIP - zařízení, které integruje jednu nebo více laboratorních funkcí většinou na ploše o několika cm2 - poskupina tzv. micro-electro-mechanical-systems (MEMS) - jiné označení: microTAS (micro-Total Analysis System)


Přednáška #1

Strana 15

(MIKRO) JEDNOTKOVÉ OPERACE - mikroreaktory, mikromísiče, mikropumpy, mikroseparatory, mikroextraktory, tepelné mikrovýměníky, atd.

http://www.degruyter.com/


POINT-OF-CARE TESTING

- těhotenské testy

Přednáška #1

Strana 16

- 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)


Přednáška #1

Strana 17

Mikrofluidní aplikace = interdisciplinární obor Úspěšný vývoj aplikací využívajících komplexní mikrosystémy vyžadují rozsáhlé teoretické znalosti i experimentální dovednosti. Analytická chemie

Chemické inženýrství

Anorganická a organická chemie

Elektrochemie

Mikrofluidika Fyzika

Biologie

Biochemie


Přednáška #1

Strana 18


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


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.)


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).


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.


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) 200 € 1 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


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.


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 – 105 m-1 porézní katalyzátor -

108

m-1

Monolit – automobilový katalyzátor s vysokou hodnotu vnitřního povrchu a objemu.


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

VÍCEFUNKČNÍ CHEMICKÉ A BIOCHEMICKÉ MIKROSYSTÉMY

Recommend Documents