Natuurkundigen van het Georgia Institute of Technology hebben aangetoond dat een nieuwe optische techniek voor het regelen van de stroom van zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen meer dan vaste oppervlakken. De techniek, die gebaseerd is op veranderingen in de oppervlaktespanning ingegeven door optisch gegenereerde thermische gradiënten, zou kunnen bieden de basis voor een nieuwe generatie van dynamisch herprogrammeerbare microfluïdische apparaten. Een papieren beschrijving van de techniek is de cover verhaal voor de 01 augustus nummer van het tijdschrift Physical Review Letters. Het onderzoek is ondersteund door de National Science Foundation en het Research Corporation. Bestaande microfluïdische apparaten, ook wel bekend als 'labs-on-a-chip, "gebruik kleine kanalen of leidingen geëtst in silicium of een ander substraat materiaal om zeer kleine hoeveelheden vloeistof te manipuleren. Dergelijke "micropipe" apparaten nog maar net beginnen te verschijnen op de markt. De Georgia Tech innovatie kan leiden tot de productie van een nieuw type van microfluïdische apparaat zonder etsen kanalen. In plaats daarvan zou lasers of optische systemen vergelijkbaar met die gebruikt in LCD-projectoren produceren complexe patronen van een variërende intensiteit licht op een vlakke ondergrond materiaal. Absorptie van het licht zou produceren differentieel verwarming op de ondergrond, het creëren van een patroon van thermische gradiënten. Oppervlaktespanning, een relatief sterke kracht bij micron sorteringsschalen, zou dan leiden tot nanoliter hoeveelheden vloeistof uit de koelere gebieden stroom naar warmere gebieden door thermocapillary actie. "We voorzien dat dit zou kunnen meerdere druppels of pakketten van vocht tegelijk te verplaatsen, waardoor arrays van druppels te bewegen op hetzelfde moment op meerdere locaties", zei Michael Schatz, een Georgia Tech universitair hoofddocent van de natuurkunde. "We konden vermijden dat gedetailleerde architecturen op de ondergrond. In plaats daarvan zouden we profiteren van de vooruitgang in de miniaturisatie van de opto-elektronica om het patroon van de ondergrond met oppervlaktespanning krachten." Omdat de temperatuur gradiënten zou gevormd worden door de computer gestuurde lichtpatronen, kan routes voor de druppels snel worden veranderd, waardoor een herconfiguratie niet mogelijk met de bestaande microfluïdische apparaten. En omdat de oppervlaktespanning effecten sterk zijn op het micron schaal kan produceren ze debieten hoger dan kanaal op basis van microarrays, die moet overwonnen grote wrijvingskrachten. Ten slotte kan het substraat eenvoudig te reinigen tussen het gebruik, het vermijden van besmetting. In hun paper, Schatz en zijn collega's Roman Grigoriev en Nicholas Garnier verslag uit over hun studie van de manier waarop thermische gradiënten van invloed zijn dunne films van siliconen olie op een oppervlak van glas. De bodem van het glas was zwart geschilderd om licht te absorberen, en een koellichaam voorzien om oververhitting te voorkomen. De techniek kan in theorie ook gebruik maken van vloeibare oppervlakken, waar de druppels van een mengbare vloeistof zou worden verplaatst over een "substraat" vloeistof door de oppervlaktespanning dezelfde krachten. In een vloeistof-vloeistof-on systeem, zou de onderliggende vloeistof ook verplaatsen, waardoor hogere stroomsnelheden. In biologische toepassingen, zijn vloeistoffen van belang op basis van water, maar Schatz zegt dat de optische principe zou kunnen gelden voor de meeste vloeistoffen. "Deze techniek kan van toepassing zijn op tal van vloeistof-systemen, omdat het is gebaseerd op een intrinsieke eigenschap die bijna elke vloeistof heeft een temperatuur van de afhankelijkheid van de oppervlaktespanning," merkte hij op. Hoewel veel technische hindernissen blijven, Schatz en zijn medewerkers geloven dat hun techniek kan de basis voor een geminiaturiseerde lab-on-a-chip wordt gebruikt voor genetische of biochemische testen in het veld. De gemakkelijk herconfigureerbare systeem zou in staat zijn om transport, samenvoegen, mixen en afgesplitst stromen van vloeistof stroomt over een vlakke ondergrond. "Als we kunnen bouwen apparaten die vloeistoffen bewegen op kleine schaal in een herconfigureerbare manier, dan in principe kunnen we allerlei testen in het veld bij zeer hoge dichtheden te doen," Schatz toegelicht. "Deze aanpak kan worden toegepast in veel verschillende omstandigheden." Uiteindelijk kon de miniaturisatie van microfluïdische apparaten doen voor vloeistofverwerking wat de moderne halfgeleider technologie heeft gedaan voor de elektronica, waardoor testen, chemische studies en andere macro-schaal processen te worden kleiner, goedkoper en sneller. "Het krimpen van apparaten met behulp van microfluidics kan worden als revolutionair in ons dagelijks leven de micro-elektronica is geweest, 'zei Schatz. In tegenstelling tot de micro-elektronica, maar de drang om te maken microfluïdische apparaten kleiner en dichter gezichten een onmiddellijke fundamentele grens  de grootte van de cellen, DNA-monsters of eiwit moleculen. Als die moeten worden verplaatst in vloeibare vorm, kan de microarray-functies niet veel kleiner zijn dan een paar micron. Een van de uitdagingen voor het bouwen van optisch-driven microfluïdische apparaten zijn controle verdamping, het ontwikkelen van interfaces om de kleine hoeveelheden vloeistof te krijgen op het oppervlak, en het kiezen van de juiste combinatie van ondergrond en koellichaam te onderscheiden temperatuurgradiënt patronen te bieden zonder oververhitting van de vloeistoffen, notities Grigoriev, een assistent-professor aan de School of Physics. "We staan op het punt van teststrategieën voor de aanleg van de bouwstenen, net als de transistors van de micro-elektronica," zei hij. "Zodra die stukjes op hun plaats, zal het veel eenvoudiger om ze samen te brengen in een werkende microfluïdische apparaat." |