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El Laboratorio en un chip
Antonio González Fernández
Grupo de Electrohidrodinámica
Universidad de Sevilla
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Ejemplos
„ Aplicaciones prácticas
2
Ejemplo de laboratorio en un chip:
analizador de muestras de sangre
3
El laboratorio en un chip: ventajas de la
miniaturización
„
„
„
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 microbios
herramientas en investigación genética.
La habilidad para producir gran número de reacciones
químicas diferentes simultáneamente.
4
Ejemplo: Microbomba construida a partir
de electrodos sucesivos desfasados
0º
180º 0º 180º
90º 270º 90º 270º
5
Ejemplo: Micromezclador empleando
cuatro electrodos desfasados
180º
270º
0º
90º
6
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Ejemplos
„ Aplicaciones prácticas
7
Biopartículas: partículas de material
orgánico (vivas o muertas)
Virus: 20 -400 nm
Células: 10 -100 μm
Bacterias: 0.5-5μm
Partículas de látex: ≥0.2μm
8
MEMS: Microsistemas electromecánicos
„
„
„
MicroElectroMechanical
Systems: son dispositivos en
los que los tamaños
característicos son del orden
de la micra
Combinan sistemas
mecánicos (micromotores) y
eléctricos (con electrodos
micrométricos)
Si además hay disoluciones y
líquidos se dice que
tenemos microfluídica.
9
Resumiendo...
„
„
„
„
La fusión de mecánica de fluidos y
electrostática constituye la
electrohidrodinámica (EHD)
La aplicación de la EHD a sistemas
micrométricos constituye la microfluídica
Los dispositivos empleados en microfluídica son
parte de los MEMS (microelectromechanical
systems)
Estos dispositivos son importantes para el
análisis y control de biopartículas
10
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
microsistemas
El comportamiento de los líquidos en escalas
pequeñas
El comportamiento de las partículas
sumergidas en disoluciones (suspensiones)
11
Escalas: la naturaleza se comporta de
forma diferente según el tamaño
„
„
„
Al cambiar las escalas cambia el
comportamiento de los sistemas
La física clásica sigue siendo válida, pero el
comportamiento de los objetos microscópicos
es diferente del de los macroscópicos
La importancia relativa de las distintas fuerzas
cambia al reducir la escala:
„
„
Gravedad
Inercia
„
„
„
Tensión superficial
Viscosidad
Fuerzas
electrostáticas
12
Cambiando de escala: El hombre contra el
insecto
„
Hombre (~2m)
„
Gravedad
Dominante
Insignificante
Insecto (~2mm)
Insignificante
Tensión superficial
La transición
ocurre cuando
Dominante
ρgl
γ
∼1⇒l ∼
∼ 2 mm
γ l
ρg
13
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!)
Sustancia
η (g/(s·m)) (apr.)
Aire
0.02
Agua
1
Aceite de oliva
100
Glicerina
500
Aceite de motor
1000-2000
Miel
2000-10000
Ketchup
50000-70000
Nocilla
250000
„
Para medir su
importancia se usa el
número de Reynolds
Re =
„
Lv
η/ ρ
„
„
L: longitud
v: velocidad
Buceo:
„
„
„
Hombre: Re~104
Pececillo: Re~102
Bacteria: Re~10-4
Para una bacteria, el efecto de la viscosidad es enorme
14
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
u: Velocidad del líquido
circundante
ma = F − γ ( v − u )
Inercia
„
γ = 6πRη : Coeficiente de
Fuerza
aplicada
fricción (R: radio de la
partícula, η:viscosidad)
La inercia de las biopartículas es despreciable,
por su pequeña masa
15
La velocidad, en vez de la aceleración, es
proporcional a la fuerza
„
La velocidad de una partícula es
v =u+
F ma
−
γ
γ
u+
F
= u + μF
γ
Arrastre
„
„
„
Acción directa
Podemos controlar la partícula:
„
„
μ: movilidad
Empleando fuerzas sobre la partícula (modificando
F)
Moviendo el líquido que la rodea (modificando u)
A menudo estos movimientos son indeseados
Interesa ver qué efecto es el más importante
16
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Ejemplos
„ Aplicaciones prácticas
17
Gravedad: La partícula está sometida a su
peso y al empuje
„
Suponiendo una partícula en una disolución
acuosa
vg =
ρ p τ g − ρτ g
6πaη
2 (ρ p − ρ ) g 2
=
a
9
η
„
=
ρτg
ρpτg
La gravedad no sólo es despreciable porque la
partícula es pequeña, sino que se ve reducida
por el empuje
18
Electroforesis: Movimiento de partículas
por fuerzas eléctricas sobre cargas
„
Todas las partículas adquieren una cierta carga
E∞
F
u
„
„
„
A su alrededor se acumula carga del signo
opuesto
Aplicando un campo eléctrico estático se genera
una fuerza sobre ellas y sobre el líquido
La partícula y el líquido se mueven en sentidos
opuestos
19
Electroforesis: Diferentes partículas se
mueven de forma diferente
„
„
La velocidad de la partícula y su
desplazamiento dependen de su carga y su
tamaño
Esto permite analizar la composición de una
mezcla
V0
Es una técnica habitual
en el análisis de ADN
20
Dielectroforesis: Fuerza eléctrica sobre
dipolos inducidod
„
„
„
La electroforesis sólo funciona con corriente
continua
Si se aplica un campo alterno, no se produce un
efecto neto sobre la carga
Sí se actúa sobre el momento dipolar inducido
p = αE
α: polarizabilidad
p
F = (p ⋅ ∇) E
E
En c.a. hay que usar
amplitudes complejas
(fasores)
Sólo hay fuerza si el
campo no es uniforme
En c.c. el dipolo tiende
a ir hacia el campo más
intenso
1
F = ( p ⋅ ∇ ) E = Re ( ( p ⋅ ∇ ) E* ) ≠ 0
2
21
Dielectroforesis: su signo es función de la
frecuencia
„
„
En c.a. α es un número complejo, que incluye un
posible desfase, dependiente de la frecuencia
Ello hace que en ocasiones, el momento dipolar
vaya en sentido opuesto al campo eléctrico
DEP
positiva
p
DEP
negativa
p
E
0.5 MHz
E
Las
partículas
se van a
campos
intensos
Las
partículas
se van a
campos
débiles
5 MHz
22
Movimiento browniano: causado por
choques aleatorios
„
„
El movimiento de las partículas no es puramente
determinista, sino browniano
Se debe a los choques con los átomos del líquido
„
„
En un instante puede
haber más de un
lado que del otro
En promedio es nulo
Frand (t ) = 0
Provoca dispersión
Es muy importante para Δx = 2 Dt =
partículas pequeñas
„
„
k BT
1
t∝
3πaη
a
23
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Ejemplos
„ Aplicaciones prácticas
24
Fuerzas en el líquido: producen una
distribución de velocidades
„
El movimiento del líquido está gobernado por
las ecuaciones de Navier-Stokes
⎛ ∂u
⎞
ρ ⎜ + ( u·∇ ) u ⎟ = −∇p + η∇2 u + f
⎝ ∂t
⎠
Fuerza por
∇·u = 0
Despreciable si Re <<1
„
u.de volumen
Además tenemos las condiciones de contorno
u
u=0
z
„
x
En las
paredes
rígidas
∂u
=0
∂n
En las
superficies
libres
Conocidas las fuerzas (de
volumen o de superficie)
puede calcularse la velocidad
25
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 convección
Sólo son importantes en sistemas grandes o
para gradientes de temperatura muy intensos
„
26
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
sistema
„ Causas internas, asociadas a la producción de calor en
el sistema, por ejemplo, por efecto Joule
Iluminación
Efecto Joule
27
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 térmica
La acción de un
campo eléctrico
sobre esta sopa
puede mover los
iones y estos
arrastrar el líquido
28
Electroosmosis: las cargas se concentran
junto a las superficies
„
λd
„
„
En la mayor parte del
líquido, las cargas se
cancelan y el efecto es
nulo
Cerca 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)
29
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
líquido
La velocidad es proporcional
al campo aplicado
Flujo de Poiseuille (producido por
una diferencia de presiones)
„
„
El flujo electroosmótico es
más eficiente que el debido
a diferencias de presiones
para bombear en capilares
Es de aplicación en la
fabricación de microbombas
Flujo electroosmótico
30
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 mismo
Este fenómeno depende de la
frecuencia y de la amplitud
de la señal aplicada
Es importante a bajas
frecuencias (f ~ (σ/ε)(λ/L) ~
1kHz)
Con diferentes disposiciones
de electrodos pueden
construirse microbombas y
micromezcladores
0º
180º 0º 180º
90º 270º 90º 270º
31
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
conductividad
Aparece una fuerza de volumen
( σ∇ε − ε∇σ )·E
1 2
Esta
f =fuerza
ρE − Epuede
∇ε mover ρel= líquido, siendo la
σ + jωε
velocidad 2dependiente de la frecuencia
Es importante a altas frecuencias (f ~ σ/ε ~
1MHz)
32
Resumen de fuerzas en microfluídica
Sobre la partícula
Sobre el líquido
Gravedad
Flotación por causas
externas
Electroforesis
Flotación por efecto Joule
Dielectroforesis
Electroosmosis
Movimiento Browniano
Electroosmosis AC
Electrotérmicas por causas
externas
Electrotérmica por efecto
Joule
33
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Un ejemplo concreto
„ Aplicaciones prácticas
34
Sistema de onda viajera: descripción
„
„
„
0º
180º 0º 180º
90º 270º 90º 270º
„
Consideramos un sistema periódico de
electrodos con voltajes alternos desfasados
T/4
Los electrodos está montados sobre un
vidrio
Por encima hay una disolución de KCl en
agua
Se emplean partículas de látex como
trazadoras
Electrodes
El conjunto se ilumina desde
arriba y se observa lateral y
cenitalmente
„
Microscope Objectives
35
Sistema de onda viajera: resultados
0.0025
1kHZ: TWEO
TWEO
1V
0.002
„
ET
20V
0.0015
v
0.001
0.0005
3
4
5
6
log(f)
7
8
9
„
3.5MHz: ETh
Para este sistema pueden
calcularse todas las fuerzas
aproximadamente
¿Qué efecto es el dominante?
36
Sistema de onda viajera: comparación de
fuerzas (I)
Pueden trazarse mapas de las regiones de
dominio
σ = 0.001S/m, a=250nm, λ=100μm
TWDEP
1.5
0.5
TWEO
0
ET(J)
TWDEP
0.5
1
Ebullición
log(V 0)
log(V 0)
1
El
ec
tro
lis
is
1.5
2
ET(J)
tro
lis
is
2
σ = 0.1S/m, a=250nm, λ=100μm
El
ec
„
0
TWEO
-0.5
-0.5
Brown.
Brown.
-1
-1
2
3
4
5
6
log(f)
7
8
2
9
3
5
7
log(f6)
4
8
9
37
Sistema de onda viajera: comparación de
fuerzas (II)
V0=10V, f=100kHz, σ=0.1S/m
V0=10V, a=250nm, σ=0.1S/m
-3
log(λ)
-4
-5
-8
-6
-5
-4
-3
log(λ )
En sistemas grandes
domina la gravedad
TW
EO
Electrolisis
TWEO
-7
Flotación
-3
Flotación
log(a)
-6
Grav.
TWDEP
Electrolisis
-4
-5
-2
-2
P
E
D
W
T
-6
2
3
ET(J)
4
5
log(6f)
7
8
9
38
Contenidos
„ Introducción
„ Conceptos
de microfluídica
„ Fuerzas sobre biopartículas
„ Fuerzas sobre los líquidos
„ Un ejemplo concreto
„ Aplicaciones prácticas
39
Algunos ejemplos reales
Analizadores de ADN
Microbomba
Separador
Micromezcladores
40
Conclusiones
„
Interesa construir dispositivos micrométricos:
„
„
„
„
„
„
„
Estos dispositivos se integran en los “Lab-on-a-chip”.
Es necesario comprender los principios físicos
El movimiento de partículas en líquidos incluye
„
„
„
„
Mezcladores y separadores
Cámaras de reacción
Microbombas
...
Acción directa sobre las partículas
Movimiento del líquido circundante
El movimiento del líquido puede ser deseable o
perjudicial, pudiendo impedir el control de las partículas
Comparando las distintas fuerzas implicadas, pueden
determinarse las dimensiones y parámetros adecuados
para una función concreta
41
Trabajos propuestos:
1.
2.
3.
Estructura de la capa doble
Aplicación de la electroforesis al análisis
de proteínas
Funcionamiento de un analizador de ADN
usando MEMS
42
Conclusiones
„
Interesa construir dispositivos micrométricos:
„
„
„
„
„
„
„
Estos dispositivos se integran en los “Lab-on-a-chip”.
Es necesario comprender los principios físicos
El movimiento de partículas en líquidos incluye
„
„
„
„
Mezcladores y separadores
Cámaras de reacción
Microbombas
...
Acción directa sobre las partículas
Movimiento del líquido circundante
El movimiento del líquido puede ser deseable o
perjudicial, pudiendo impedir el control de las partículas
Comparando las distintas fuerzas implicadas, pueden
determinarse las dimensiones y parámetros adecuados
para una función concreta
43