IV Workshop
em Microfluídica
Livro de
Resumos
24 e 25 de julho de 2014
Campinas, São Paulo
Patrocínio
Empresa Participante
Organização
http://pages.cnpem.br/workshopmicrofluidica
Microfluídica
A"Microfluídica"pode"ser"definida"como"a"ciência"dos"sistemas"nos"quais"o"comportamento"dos"
fluidos" difere" da" teoria" tradicional" (domínio" macroscópico)" devido" às" pequenas" dimensões"
destes" sistemas." O" movimento" dos" fluidos" pode" ser" explorado" para" uma" variedade" de"
aplicações"científicas"e"tecnologias"e,"por"esse"motivo,"há"necessidade"de"maior"discussão"sobre"
os"efeitos"do"escalonamento"na"microfluídica."O"desenvolvimento"de"microssensores"de"fluxo,"
microbombas" e" microválvulas" no" final" dos" anos" 80" dominou" os" primeiros" estágios" da"
microfluídica." Durante" o" estágio" pioneiro," as" principais" plataformas" exploradas" para" a"
fabricação" de" microssistemas" eram" baseadas" em" vidro," quartzo" e" silício." Atualmente,"
plataformas" de" menor" custo" e" fácil" acesso" estão" sendo" cada" vez" mais" empregadas" na"
microfluídica,"incluindo"polímeros"elastoméricos"(PDMS,"por"exemplo)"e"materiais"descartáveis"
como" papel" e" filmes" de" transparência." Atualmente," sistemas" microfluídicos" podem" ser"
utilizados" em" diferentes" áreas" incluindo" Química," Biologia," Medicina," dentre" outras." Alguns"
exemplos" de" aplicações" de" dispositivos" microfluídicos" envolvem" determinação" de" pH,"
monitoramento" de" cinética" de" reações," bem" como" interações" biomoleculares," separações"
eletroforéticas,"imunoensaios,"citometria"de"fluxo,"análise"proteômica"e"metabolômica"através"
da"espectrometria"de"massas,"análise"de"DNA,"manipulação"de"células"e"outras."O"uso"de"tais"
dispositivos"apresenta"uma"série"de"vantagens"bastante"atrativas"do"ponto"de"vista"econômico"
e" tecnológico." Primeiro," porque" o" volume" de" fluidos" no" interior" desses" sistemas" é" muito"
pequeno" (nanolitros" a" microlitros)." Para" aplicações" em" análises" químicas," essa" redução" de"
volume"é"especialmente"significativa"para"reagentes"caros"ou"em"situações"onde"a"quantidade"
de" amostra" é" reduzida." Além" disso," atualmente" as" técnicas" de" fabricação" são" relativamente"
baratas," permitindo" a" produção" em" larga" escala" bem" como" a" integração" de" múltiplas" etapas"
químicas" e" físicas" em" um" único" dispositivo." Em" consequência" do" tamanho" reduzido" dos"
dispositivos," é" possível" completar" uma" análise" em" um" intervalo" de" tempo" na" ordem" de"
segundos." A" microfluídica" começou" a" ser" desenvolvida" no" Brasil" no" início" dos" anos" 2000."
Atualmente," já" existem" alguns" grupos" de" pesquisa" dedicados" integralmente" a" esta" linha" de"
pesquisa."Nesse"contexto,"o"IV"Workshop"em"Microfluídica"será"importante"para"acompanhar"o"
avanço"nessa"linha"de"pesquisa"e"permitir"maior"integração"dos"pesquisadores"brasileiros"que"
atuam"nesta"área.""
O Workshop
O" IV" Workshop" em" Microfluídica" 2014" foi" realizado" nos" dias" 24" e" 25" de" julho" de" 2014," no"
auditório" do" Anel," do" Laboratório" Nacional" de" Luz" Síncrotron" (LNLS)," no" campus" do" Centro"
Nacional" de" Pesquisa" em" Energia" e" Materiais" (CNPEM)," em" Campinas." Devido" ao" sucesso" dos"
evento" realizados" nos" anos" anteriores," o" IV" Workshop" manteve" a" duração" de" dois" dias," de"
modo" a" expandir" as" apresentações" em" diversas" áreas" do" conhecimento" e" promover" o"
intercâmbio" entre" alunos" e" pesquisadores" de" diferentes" instituições" e/ou" empresas." A"
microfluídica" possui" aplicações" em" muitos" setores" industriais," cobrindo" áreas" tão" diferentes"
como" a" Biologia," Medicina," Química," Engenharia" de" Processos," Transportes," Ciências"
Ambientais,"Microeletrônica,"dentre"outras."O"objetivo"desse"evento"é"fomentar"a"cooperação"
no" domínio" da" microfluídica," reunindo" pesquisadores" que" trabalham" nesta" área" fortemente"
multidisciplinar." O" IV" Workshop" em" Microfluídica" 2014" contou" com" sete" palestrantes"
convidados," 10" seminários" de" estudantes" e" uma" sessão" com" apresentações" de" trabalhos"
científicos" na" forma" de" painel." A" edição" 2014" do" Workshop" contou" ainda" com" a" presença" de"
algumas" empresas" de" destaque" nacional" e" internacional" como" a" Petrobrás," a" LabSolutions," a"
MicruX,"a"Microfluidic"ChipShop"e"a"IBM."""
"
Programação
24/07/2014
Horário
Palestra
9h-9h40
Abertura
9h40-10h30
Palestra 1
10h30-11h
Convidado
Boas-vindas e Informações Gerais
“Microfluidic devices for in-situ
synthesis of silver nanoparticles and
detection by SERS”
Prof. Dr. Claudimir
Lucio do Lago
(IQ/USP)
Coffee Break
11h-11h50
Palestra 2
“Quantitative evaluation of flow
fields using microPIV measurements
and simulations”
11h50-12h40
Palestra 3
“Potenciais aplicações da
Dr. Rogério Mesquita
microfluídica em química analítica do de Carvalho
petróleo”
(CENPES/Petrobrás)
13h00-14h30
Dr. Rodrigo Neumann
(IBM)
Almoço
14h30-14h50
Seminário 1 “Regime de formação de gotas –
Efeito das vazões das fases”
14h50-15h10
Seminário 2 “Desenvolvimento de um Teste Rápido Ana Carolina Rafanhin
Microfluídico para Detecção
Sousa (IQSC/USP)
Colorimétrica do Vírus da Cinomose
Canina”
15h10-15h30
Seminário 3 “Determinação de antioxidantes
naturais usando microchips
de eletroforese em PDMS acoplados
com detecção amperométrica e
polaridade reversa”
Bruno Gabriel Lucca
(IQ/UFMS)
15h30-15h50
Seminário 4
Cheyenne Neves
(UFSC)
15h50-16h10
Seminário 5 “Microfluidics applied on polymeric
drug delivery systems”
16h10-17h30
“Visualização do deslocamento
imiscível água-óleo em poros
de duplo canal”
Ana Letícia Rodrigues
Costa (Unicamp)
Débora Freitas do
Nascimento
(IMA-UFRJ)
Coffee Break e Apresentação de Painéis
!
25/07/2014
Horário
Palestra
Convidado
8h30–9h20
Palestra 4
“Aplicações do “paper spray
ionization”: uma possível interface
entre a microfluídica e a
espectrometria de massas”
Prof. Dr. Boniek Gontijo
Vaz (IQ/UFG)
9h20–10h10
Palestra 5
“Fabricação de sensores
químicos/eletroquímicos de baixo
custo visando à aplicação forense e
alimentícia”
Prof. Dr. Thiago Paixão
(IQ/USP)
10h10–10h30
Coffee Break
10h30–11h20
Palestra 6
“Microlaboratórios Autonomos
para Monitoramento de Águas”
Prof. Dr. Antonio Carlos
Seabra (LSI/USP)
11h20–12h10
Palestra 7
“Aplicações em Microfluídica e
Detectores de condutividade sem
contato (C4D)”
Thayane Carpanedo
(LabSolutions/MicruX)
“The challenge of functional
integration: Development of a
multiplexed analyzer”
Clemens Kremer
(Microfluidic ChipShop)
Dra. Jaione Tirapu
Azpiroz (IBM)
12h10–12h30
Seminário 6
“Electrokinetic Modeling for
Particle Sorting at the Microscale”
12h30–12h50
Seminário 7
“Correção do efeito de Schlieren
Laiz de Oliveira
para determinações fotométricas em Magalhães (IQ/UnB)
microssistemas fluídicos”
13h–14h30
Almoço
14h30–14h50
Seminário 8
“Interação de Membranas
Suspensas de Grafeno com Meios
Líquidos via Canais Microfluídicos
Enterrados”
Gustavo Arrighi Ferrari
(UFMG)
14h50–15h10
Seminário 9
“Selagem adesiva de sacrifício: um
método potencial para a fabricação
de microdispositivos de vidro”
Leandro Yoshio Shiroma
(LNNano)
15h10–15h30
Seminário 10
“Microreatores fotocatalíticos,
prototipagem e testes de
fotodegradação de corantes
orgânicos”
Vinicius Modolo Santos
(PUC-Rio)
!
!
15h30-17h00
Coffee Break e Apresentação de Painéis
17h00-17h30
Encerramento e Discussão do V Workshop
Workshop COMSOL Multphysics
(apenas para inscritos)
24 de julho
Período do workshop
** Manhã 09:00-12:00 – Tema: Introdução ao COMSOL Multiphysics
Programação:
09:00 – 10:30 Introdução geral e demonstração
10:30 – 12:00 Tutorial prático
** Tarde 13:30-16:30 – Tema: Microfluidos no COMSOL Multiphysics
Programação:
13:30 – 15:00 Introdução e demonstração sobre Microfluidos
15:00 – 16:30 Tutorial prático
!
Comunicação
Oral
Patrocínio
Empresa Participante
Organização
http://pages.cnpem.br/workshopmicrofluidica
Desenvolvimento de um Teste Rápido Microfluídico para
Detecção Colorimétrica do Vírus da Cinomose Canina
Ana Carolina Rafanhin Sousa*; Regiane de Fátima Travensolo; Beatriz Cutilak Bianchi;
Emanuel Carrilho
Resumo Dispositivos microfluídicos em papel (μPAD) permitem análises de fluidos biológicos de uma maneira
simples, rápida, não invasiva e de baixo custo. Assim, este trabalho apresenta a fabricação de μPADs para
detecção colorimétrica do vírus da cinomose canina, em sangue total e em soro de cães. O processo consiste
nos conceitos de hidrofobicidade e hidrofilicidade, pois o microdispositivo é delimitado por uma região coberta
por cera, a fim de criar canais capilares em microescala. O resultado final é observado em zonas de detecção
do microdispositivo, onde ocorre a coloração decorrente de reação química.
Palavras-chave Microfluídica; Ensaios em papel; Colorimetria; Nanopartículas de ouro; Cinomose canina.
Introdução
Os primeiros indícios para o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos em papel
ocorreram a partir de 1940, quando a cromatografia em papel foi utilizada para separar
clorofila a partir de folhas de plantas. Müler e seus colaboradores foram os primeiros a dar
origem a canais confinados em superfícies de papel por meio da infusão de papel de filtro
com parafina, em 1949.1
Dispositivos microfluídicos de papel (μPADs) passaram a ser utilizados como dispositivos
analíticos por apresentar diversas vantagens, entre elas: baixo custo; requerem mínima
infraestrutura; fácil utilização e rápida fabricação; são compatíveis com muitas aplicações
químicas, bioquímicas e médicas; requerem baixo volume de reagentes e amostras; boa
portabilidade; são descartáveis e biodegradáveis e podem integrar diversos procedimentos
analíticos em um único dispositivo.2
Nanopartículas de ouro (AuNPs) constituem uma grande promessa na área diagnóstica,
devido suas propriedades de alta estabilidade e capacidade de carga, sendo amplamente
aplicáveis em métodos químicos e sensores biológicos. AuNPs modificadas com ligantes
apropriados são aplicadas na detecção de DNA, anticorpos e íons.3
O vírus da Cinomose Canina é um patógeno importante que causa altas taxas de
mortalidade, com letalidade inferior apenas à raiva canina. Este vírus apresenta oito proteínas
virais, sendo duas não estruturais (C e V) e seis estruturais (proteína do nucleoplasídeo – NP,
fosfoproteína – P, proteína da matriz – M, proteína de fusão – F, hemaglutinina – H e grande
proteína – L).4
Procedimento Experimental
Para a fabricação dos μPADs imunocromatográficos, inicialmente alguns layouts de
microdispositivo foram desenhados no computador e impressos em papel de filtro, através de
uma impressora à cera. Com os microdispositivos já impressos, os mesmos foram submetidos
a 150 ºC durante 2 min, por meio de uma chapa de aquecimento.
AuNPs coloidais foram produzidas pelo método de redução de HAuCl4.3H2O por citrato
de sódio e, em seguida, conjugadas com anticorpos policlonais contra o vírus da cinomose
produzidos em coelhos e anticorpos do tipo anti-IgG de coelho conjugados com a enzima
peroxidase produzidos em cabra.
As áreas de teste do papel foram sensibilizadas com 5 µL de diferentes diluições de cada
solução de anticorpos policlonais anti-vírus da cinomose canina produzidos em coelhos,
diluídas em tampão carbonato-bicarbonato 0,2 mol L-1 pH 9,6, tampão carbonato de sódio 0,1
mol L-1 pH 9,5 e tampão fosfato de sódio 0,1 mol L-1 pH 6,5, incubadas por 1 hora a 37 ºC e
depois em overnight a 4 °C. Como controle da reação, outra plataforma foi sensibilizada
com anticorpos IgG de coelho (SIGMA) utilizando os mesmos tampões e diluições. Após
incubação, anticorpos anti-IgG marcados com peroxidase (SIGMA) e conjugados com as
AuNPs foram acrescidos nos microcanais e a reatividade foi observada com a adição do
substrato tetrametilbenzidina (TMB), confirmando que o tampão carbonato de sódio 0,1 mol
L-1 pH 9,5 promoveu melhor adsorção dos anticorpos na plataforma de papel (Figura 1 B). A
leitura dos resultados foi realizada entre 3 e 5 min.
Resultados e Discussão
Os resultados demonstraram que os anticorpos policlonais anti-vírus da cinomose canina
diluídos 1:4 em tampão carbonato de sódio 0,1 mol L-1 pH 9,5 apresentaram reatividade com
os antígenos do vírus da cinomose canina ligados aos anticorpos conjugados às AuNPs,
conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1 – (A) Microcanal contendo a ligação do anticorpo adsorvido na plataforma com o complexo antígenoanticorpo policlonal produzido em coelho-AuNPs. (B) Antígeno-anticorpo marcado com peroxidase conjugado
às AuNPs.
O sistema tampão carbonato de sódio, pH 9,5, mostrou-se eficiente em adsorver o
anticorpo na plataforma, pois após reação com o complexo antígeno-anticorpo conjugado às
AuNPs e posterior lavagem com PBS, uma região de cor avermelhada foi observada no
microcanal, indicado pela seta em (A). Os tampões fosfato de sódio 0,1 mol L-1 pH 6,5 e
carbonato-bicarbonato 0,2 mol L-1 pH 9,6 também apresentaram reatividade, porém em menor
intensidade do que a visualizada pelo tampão carbonato de sódio.
Conclusão
Foi possível desenvolver um protótipo de teste imunocromatográfico com amplificação
enzimática para detecção de antígenos da cinomose canina utilizando uma plataforma em
papel que, comparado a outros testes imunológicos convencionais apresentam vantagens
como o uso de pequeno volume de amostra (4 µL), pouco tempo requerido tanto na fabricação
das plataformas quanto na realização dos ensaios, não necessita uso de leitor de microplacas
ou de qualquer outro aparelho instrumental, sendo totalmente portátil.
Referências
[1] R. B. David et al., Microfluidic Nanofluidic 13, 769-787 (2012).
[2] W. K. T. Coltro et al., Electrophoresis 31, 2487-2498 (2010).
[3] Lai Cui et al., Chinese Journal of Analytical Chemistry 38, 6, 909-914 (2010).
[4] R. A. Lamb et al., Fild’s Virology 5ª ed. v.2, cap.41, 1449-1469.
*[email protected]
Regime de formação de gotas - Efeito das vazões das fases
A. L.R. Costa*, R. L. Cunha
Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas
Resumo
Gotas de goma gelana (0,6% m/m) foram produzidas utilizando óleo de soja como fase contínua. O
emulsificante PGPR (4% m/m) foi utilizado para a produção das emulsões A/O. Nos microcanais foram
variadas as vazões de entrada das fases dispersa e continua para avaliar como a razão entre essas vazões
influenciou no regime de formação de gotas. Três regimes de formação de gotas foram identificados. No regime
de gotejamento, as razões entre as vazões foram menores que 1sendo as gotas produzidas menores e
monodispersas. Quando a razão entre as vazões foi maior que 1 o regime de jateamento foi observado gerando
gotas com grande tamanho e alta polidispersidade. Em razões de vazões próximas ou iguais a 1 observou-se o
regime “squeezing”, associado ao equilíbrio das forças de arrasto e interfaciais. Neste caso, a distribuição do
tamanho das gotas é monodispersa e o tamanho médio foi maior comparado ao regime de gotejamento.
Palavras-chaves: microfluidica, gotas, monodispersão.
Introdução
A técnica de emulsificação em dispositivos de microfluidica é utilizada para a
produção de gotas de diâmetro reduzido e com distribuição de tamanho monodispersa, com
menor demanda de energia que os processos convencionais. O tamanho das gotas produzidas
está relacionado com as variáveis de processo, vazões de entrada das fases contínua e
dispersa, e as forças envolvidas nos regimes de formação de gotas. Este trabalho teve como
objetivo avaliar o efeito das vazões das fases dispersa e contínua no regime de formação de
gotas.
Procedimento Experimental
Microcanais com mecanismo flow-focusing foram projetados em AutoCAD 2012
(Autodesk, EUA) e produzidos em polidimetilsiloxano (PDMS) pela técnica de litografia
macia. Estes foram conectados a três bombas seringa (PHD22/2000, HavardApparatus, EUA)
para o bombeamento das fases para o interior dos canais. O processo de formação das gotas
na junção dos canais foi observado em microscópio Multizoom AZ100 (Nikon, Japão). Foi
estudado o sistema com a fase contínua formada por óleo de soja (Bunge Alimentos, Brasil)
adicionada de 4% m/m do emulsificante polirricinoleato de poliglicerol (PGPR) (Danisco,
Dinamarca), e como fase dispersa solução aquosa de goma gelana 0,6% m/m (Kelco, EUA).
A vazão de entrada da fase dispersa (Φdisp) variou de 0,5 a 4,0μL/min, enquanto a vazão da
fase contínua (Φcont) variou de 1,0 a 3,0 μL/min, obtendo-se diferentes razões entre as vazões
(! =
#$%&'
,#
).
()*+
Resultados e Discussão
O tamanho e a polidispersidade das gotas dependem do regime de formação das gotas.
A Figura 1 apresenta os três regimes de formação de gotas que foram observados no
mecanismo flow-focusing. No regime squeezing, a fase dispersa inicialmente ocupa quase
toda a seção transversal do canal principal, porque as forças associadas à tensão interfacial são
mais relevantes quando comparadas às tensões viscosas. Como consequência, o “pescoço” da
fase dispersa é rompido após um período de acúmulo de fluido na gota emergente (Figura
1A). Quando o “pescoço” é rompido antes da ocupação da área transversal pela fase dispersa,
o regime de gotejamento é alcançado pelo equilíbrio entre a força de arrasto, que a fase
contínua exerce simetricamente sobre a gota emergente, e a força interfacial que se opõe ao
alongamento do pescoço (Figura 1B).
1B) No regime de jateamento a forçaa de cisalhamento da
fase contínua não consegue de imediato superar as forças interfaciais da fase dispersa, então
forma-se um pescoço longo no canal principal e a formação das gotas ocorrem distante da
junção dos canais (Figura 1C)..
A Figura 2 mostra o regime de formação de gotas e a razão entre as vazões da fase
dispersa e contínua, respectivamente. Observa-se
Observa se que o regime de gotejamento, para as vazões
avaliadas, ocorreu em razões entre vazões menores que 1 (!
( - 1 ) e as gotas produzidas são
menores e monodispersas.. O regime de jateamento é um regime de transição entre a formação
e a não formação de gotas e está associado à região onde a razão entre as vazões é maior que
1 (! " 1). Com
om o grande acúmulo da fase dispersa, geram-se
se gotas com grande tamanho e
alta polidispersidade. Em razões entre vazões próximas ou iguais a 1/!
1 ! = 1) observa-se o
regime squeezing, associado ao equilíbrio das forças de arrasto e interfacial no processo de
formação de gotas, neste caso, a distribuição do tamanho das gotas
gotas é monodispersa e o
tamanho das gotas é maior comparado ao regime de gotejamento.
A
B
C
100 µm
Figura 1- Regimes de formação de gotas
($%&'( =2µL/min). A) Squeezing
zing ($)*+, = 2,0
µL/min); B) gotejamento ($)*+, = 0,5 µL/min) e C)
jateamento ($)*+, = 3,5 µL/min).
Figura 2- Regime de formação de gotas e razão
entre vazões da fase dispersa e contínua (! =
$)*+,
0$
).
%&'(
Conclusão
O regime de formação de gotas está fortemente associado à razão entre as vazões da
fase dispersa e contínua. Com o controle desta condição de
d processo, vazão de entrada das
fases, é possível controlar o regime de formação de gotas e consequentemente o tamanho das
médio e a distribuição de tamanho de gotas da emulsão.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio técnico do Professor Angelo Gobbi e da Maria Helena de
Oliveira Piazzeto e a infraestrutura do Laboratório de Microfabricação do Centro Nacional de
Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Também gostaríamos de agradecer ao apoio
financeiro da FAPESP (2011/06.083-0)
(2011/06.083 e do CNPq.
*contato: [email protected]
Determinação de antioxidantes naturais usando microchips de
eletroforese em PDMS acoplados com detecção
amperométrica e polaridade reversa
Bruno Gabriel Lucca, Susan Marie Lunte, Wendell K. T. Coltro, Valdir Souza Ferreira
RESUMO: Este trabalho apresenta o uso inédito de microchips de PDMS acoplados com detecção
amperométrica e polaridade reversa para a separação e determinação de antioxidantes naturais negativamente
carregados. Os parâmetros para a separação dos ácidos ascórbico, gálico, ferúlico e coumárico foram
investigados e as melhores condições de análise foram obtidas usando tampão fosfato 5 mM (pH 6,9) e um
surfactante catiônico (TTAB) para inversão do EOF. Os compostos foram separados em um tempo de 70 s,
usando um eletrodo de fibra de carbono como eletrodo de trabalho (end-channel). O sistema microfluídico
apresentou valores satisfatórios para os estudos de repetibilidade (<4%), resoluções de pico (≥ 1) e boa
linearidade na faixa de concentração avaliada (R ≥ 0,99). O método apresentado foi por último aplicado na
determinação de antioxidantes em amostras comerciais de bebidas.
Palavras-chave: antioxidantes fenólicos, detecção amperométrica, microchips, polaridade reversa, surfactantes
Introdução: Antioxidantes são usados para melhorar a estabilidade de produtos alimentícios.
Contudo, o uso dessas substâncias têm se tornado motivo de preocupação, e diversos estudos
a respeito do seu uso têm sido realizados [1]. São encontrados na literatura diversos trabalhos
realizando a separação e determinação de antioxidantes em alimentos, a maioria deles
empregando técnicas cromatográficas [2]. A eletroforese em microchips (ME) é uma técnica
consolidada nos dias atuais [3]. Entre algumas das vantagens da ME sobre outras técnicas
analíticas de separação estão os menores tempos de análise, consumo reduzido de amostra e
reagentes e a possibilidade de integrar diversas etapas analíticas em um único dispositivo [4].
Ao mesmo tempo, a detecção amperométrica (AD) é um método interessante para ser
acoplado com ME e têm sido usada com sucesso [5]. O uso de ME-AD para análise de
antioxidantes naturais negativamente carregados vêm sendo reportado por diversos grupos,
porém normalmente empregando microchips de vidro e polaridade normal para as separações.
Desta forma, este trabalho apresenta a inédita separação e detecção de antioxidantes naturais
utilizando PDMS-ME-AD e polaridade reversa.
Procedimento Experimental: Soluções e reagentes: Tampão fosfato 5 mM pH 6,9 com 2
mM de TTAB. Analitos: ácidos ascórbico, gálico, ferúlico e coumárico solubilizados em
água. Microchip: o microdispositivo de PDMS utilizado foi fabricado utilizando litografia [6].
O microchip em T simples foi obtido misturando-se uma proporção do elastômero de silicone
e o agente curante na proporção 9:1, e despejando sobre um substrato de silício contendo o
molde em SU-8 com o desenho dos microcanais. A cura do PDMS foi feita a 70°C por 3h. O
dispositivo final possui um canal de separação de 5,75 cm com 15 µm de profundidade e 40
µm de largura. Eletrodo de trabalho: Uma fibra de carbono de 3,5 cm de comprimento e 33
µm de diâmetro foi inserida em um microcanal feito em uma superfície de PDMS utilizando o
mesmo método de fabricação do microchip. Um fio de Cu foi usado para contato elétrico. A
camada de PDMS com a fibra de carbono inserida foi selada reversivelmente contra uma peça
de vidro para dar rigidez e o microchip foi alinhado por cima desta camada de PDMS
contendo a fibra com o auxílio de um microscópio. Detecção amperométrica: Utilizou-se um
detector BAS LC-4C e um sistema de 3 eletrodos: fibra de carbono (trabalho), Ag/AgCl
(referência) e fio de Pt (auxiliar). Procedimentos eletroforéticos: Todos os experimentos
foram realizados usando polaridade reversa e o modo de injeção gated.
Resultados e Discussão: As condições experimentais foram otimizadas para a melhor
separação e detecção dos compostos. Entre os tampões avaliados, aquele que apresentou os
melhores resultados foi o tampão de corrida fosfato 5 mM no pH 6,9. O uso de um surfactante
catiônico (TTAB) ao se usar polaridade reversa foi essencial para inversão do EOF e
diminuição dos tempos de migração e alargamento dos picos, assim como para melhorar a
resolução das separações. A concentração do surfactante foi avaliada e o valor ótimo
encontrado foi 2 mM. Os potenciais de separação e injeção, assim como o tempo de injeção
também foram estudados e as melhores condições de análise foram obtidas com um Esep = 1,6 kV e Einj = -1,4 kV/1s. O potencial de detecção aplicado sobre a fibra de carbono foi
otimizado para melhorar a sensitividade analítica e a melhor relação sinal/ruído foi alcançada
com um Edetecção = +1,0 V vs. Ag/AgCl. Experimentos de repetibilidade foram realizados e os
RSD`s para os tempos de migração foram de 1% intra-chip e 8% inter-chips. Para as correntes
de pico, os RSD`s foram de 4% intra-chip e 32% inter-chips. Este alto valor pode ser
explicado pelo alinhamento manual entre o microchip e o eletrodo, e a dificuldade de se
reproduzir este alinhamento ao se trocar o microchip. O sistema apresentou boa linearidade na
faixa de 10-110 µM e LOD`s na faixa de 1,7-9,7 µM. Os valores encontrados são menores do
que alguns trabalhos encontrados na literatura empregando ME-AD para separação de
antioxidantes fenólicos [7]. As eficiências de separação (N) apresentaram valores na faixa de
1400 a 10000 pratos teóricos . O método foi por último aplicado em amostras comerciais de
chá e repositores de antioxidantes, através de adição de padrão, e puderam ser determinados
os ácidos ascórbico e gálico. Os resultados para o ácido ascórbico foram comparados com as
informações no rótulo dos produtos, e as recuperações foram de 98 e 110%.
Conclusões: Neste trabalho é apresentado o uso de microchips de PDMS e detecção
amperomérica juntamente com polaridade reversa para a separação e determinação de
antioxidantes naturais negativamente carregados. Este aparato pode ser uma alternativa ao
comumente usado microchip de vidro e polaridade normal na análise desse tipo de
substâncias devido a vantagens como maior simplicidade de fabricação e menor custo. O
método proposto demonstrou uma boa precisão nos estudos de repetibilidade, boas eficiências
de separação e limites de detecção na faixa de µM, além de apresentar algumas vantagens
sobre outros métodos de separação, tais como menor consumo de amostra e reagentes e
necessidade de uma instrumentação relativamente simples.
Referências: [1] K. Srinivasan, Crit Rev Food Sci. Nutr. 54, 352 (2014).
[2] L. Pretti; G. Bazzu; P. A. Serra; G. Nieddu, Food Chem. 147, 131 (2014).
[3] R. Castañeda et al.; Electrophoresis 34, 2129 (2013).
[4] Z. Xu; R. D. Oleschuk, Electrophoresis 35, 441 (2013).
[5] A. Fernandez-la-Villa, et. al.; Electrophoresis 31, 2641 (2010.
[6] D. B. Gunasekara; M. K. Hulvey; S. M. Lunte, Electrophoresis 32, 832 (2011).
[7] H.Y. Cheng, et. al., Journal of Chinese Chemical Society 57, 371 (2010).
Email: [email protected]
Agradecimentos: Os autores agradecem à Capes pelo auxílio financeiro, à UFMS, à UFG e à
The University of Kansas onde todo o trabalho experimental foi realizado.
VISUALIZAÇÃO DO DESLOCAMENTO IMISCÍVEL ÁGUA-ÓLEO EM POROS
DE DUPLO CANAL
Cheyenne Neves1*, Fabiano G. Wolf1, Alexandre Tavares Lopes2, Marcelo N.P.
Carreño2
1
Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Campus Joinville
Universidade de São Paulo, USP, Laboratório de Microeletrônica
2
Resumo
Neste trabalho, um micromodelo de seção transversal retangular foi utilizado para
visualizar o deslocamento imiscível água-óleo em poros de duplo canal. Analisa-se o
processo de drenagem, no qual o fluido injetado é não-molhante para o material que
compõem o canal. Notou-se que a forma retangular dos canais aliada ao aumento
progressivo do número capilar foram fatores determinantes para a quantidade de óleo
residual.
Palavras-Chaves: poro de duplo canal, deslocamento imiscível, fração de óleo residual,
micromodelo de seção transversal retangular.
1. Introdução
O deslocamento água-óleo em meios porosos sempre foi assunto de grande
importância para a indústria petrolífera. Isso porque uma fração muito significativa de óleo
em um campo de petróleo permanece aprisionada ao final das operações de extração por
injeção de água (waterflooding). A quantidade de óleo residual é uma função de vários
fatores como heterogeneidade da estrutura porosa, velocidade de injeção de água e
condições de molhabilidade. Buscando avançar nesse tema, objetivou-se neste trabalho,
estabelecer uma compreensão mais aprofundada dos mecanismos físicos que levam ao
aumento da fração de óleo residual. Para este fim foram realizados experimentos de
drenagem em um tipo específico de micromodelo composto por dois canais com tamanhos
diferentes. O micromodelo possui seção transversal retangular, facilitando a visualização
direta dos mecanismos físicos importantes.
2. Materiais e métodos
Os micromodelos utilizados foram fabricados usando a técnica de litografia macia
em Polidimetilsiloxano (PDMS) (Xia e Whitesides (1998)). Foram utilizadas duas seringas
de vidro Halmilton, uma delas da série 1000 com capacidade volumétrica de 5 ml e a outra
da série 700 com capacidade volumétrica de 500 µl. Para melhorar a visualização do
escoamento, água deionizada foi corada com azul de metileno na concentração de 0,5 g/L,
sendo esta diluição apenas 1% da saturação total do azul de metileno. Utilizou-se n-decano
como fase oleosa. O micromodelo utilizado neste trabalho é uma variação daquele
utilizado por Chatzis e Dullien (1983) e está mostrado na fig. 1. O tamanho dos canais é da
ordem micrométrica com 305 µm o canal menor, 755 µm o canal maior e 240 µm de
profundidade.
Tensão interfacial
água-óleo, σ [mN/m]
Viscosidade
dinâmica, µ [1]
[mPa.s]
1
51,4 ± 0,2
Água + Azul de
metileno[1] // n-decano[2]
Tabela 1. Propriedades dos fluidos utilizados
Viscosidade
dinâmica, µ [2]
[mPa.s]
0,92
Nestas condições, o deslocamento imiscível é controlado pelo número capilar,
Ca = Vμi/σ, e pela razão de viscosidade, M = μi/μd, sendo V a velocidade média do fluido
injetado, µ i e µ d viscosidades dos fluidos injetado e deslocado, respectivamente, e σ a tensão interfacial (Lenormand et al. (1990)). A bancada experimental foi montada visando
minimizar os problemas relacionados à queda de pressão e formação de bolhas de ar. Para
este fim, na saída de seringa de injeção foi colocada uma válvula reguladora de pressão. A
vazão foi controlada por uma bomba de seringa de alta precisão da Harvard modelo PHD
ULTRA. O deslocamento água/n-decano foi visualizado com microscópio estéreo da
marca Olympus modelo SZX10.
Figura 1. Micromodelo representando um poro de duplo canal.
O micromodelo foi saturado com óleo a uma vazão de 10 ml/min, Ca ~ 1,79x10-2,
até que 4 ml fossem injetados. O experimento de drenagem foi estruturado a seguinte
maneira: Passo 1: água foi injetada a uma vazão de 0,1 µl/min, Ca ~ 1,79x10-7, até ser
atingido regime permanente, isto é, sem visualização aparente de movimentação de fluidos
no micromodelo; Passo 2: aumento da taxa de injeção de água para 0,2 µl/min,
Ca ~ 3,57x10-7. Para cada taxa de injeção, uma foto foi tirada, a fim de investigar a relação
entre a quantidade de óleo residual e a taxa de injeção.
Figura 2. Injeção de água pela esquerda (azul) deslocando óleo com a taxa de injeção de
0,1 µl/min.
3. Resultados e discussão
Os resultados obtidos para Ca ~ 1,79x10-7 são mostrados na fig. 2. Quando a
interface água-óleo encontra a primeira bifurcação ela se divide em duas interfaces: uma se
deslocando na direção do canal menor (I1) e outra na direção do canal maior (I2) . Nota-se
que interface I1 desloca-se ligeiramente mais rápido, o que não é esperado, pois os canais
que se seguem ao canal de entrada deveriam ter a mesma largura e profundidade (fig. 1b).
Após a interface I2 alcançar a entrada do canal de maior seção transversal, verifica-se que
interface I1 recua rapidamente e a interface I2 preenche o canal maior, aprisionando ndecano no canal menor. Este resultado é esperado e pode ser explicado pela lei de YoungLaplace que aplicada a um tubo cilíndrico de raio R resulta em Pc = 2σcos(θ)/R, onde Pc é
a pressão capilar que atua no menisco e θ é o ângulo de contato. Sendo assim, para uma drenagem, o cosseno é negativo e a força capilar se dará em sentido oposto ao
deslocamento. Quanto maior o raio do tubo, menor será a força capilar e maior será a
velocidade de deslocamento da frente de molhamento. Assim, o primeiro canal invadido é
o canal maior do micromodelo.
Figura 3. Injeção de água pela esquerda
(azul) deslocando óleo com a taxa de
injeção de 0,2 µl/min.
Depois de estabelecido o regime permanente na injeção de água a uma taxa de
0,1 µl/min, fig. 2d, a taxa de injeção foi aumentada para 0,2 µl/min. Observando a
sequência de imagens da fig. 3, pode-se verificar que o micromodelo foi completamente
ocupado com o aumento da taxa de injeção de 0,1 para 0,2 µl/min. Observou-se o
deslocamento do óleo em ambos canais, como indicado na fig. 3e. Esse é um resultado não
esperado e discordante daqueles apresentados por Chatzis e Dullien (1983). Os resultados
apresentados pelos autores citados não apresentaram o preenchimento do canal menor,
mesmo diante de diferentes condições impostas ao escoamento. Esse fato parece ser
justificado pelo transporte de óleo por meio de filmes finos que ficam próximos aos cantos
dos microcanais (compare as fig. 3a e 3c), visto que neste trabalho a seção transversal do
micromodelo é retangular, diferindo dos resultados de Chatzis e Dullien (1983) que
envolviam canais com seção quase circular. Isso revela a importância de se analisar com
mais detalhes a mobilidade do óleo por meio de filmes finos em rochas reservatório, fator
que pode impactar fortemente na fração de óleo residual.
Um fator que pode levar a erros na análise experimental é observado entre as fig. 3b
e 3d. Nota-se que o aumento de pressão levou ao movimento da interface I1, porém,
contrário ao esperado, o movimento da interface se torna mais lento ao mudar de direção
(fig. 3b), fazendo que o preenchimento do canal mais fino se dê da direita para a esquerda
(fig. 3c). Esse fenômeno pode ser explicado por variações nas dimensões previstas para o
micromodelo, resultantes do processo de fabricação, possivelmente da etapa de spin
coating. Aparentemente, a seção do canal menor diminuiu naquela região em que interface
I1 se deslocava, o que propiciou o movimento do menisco que se encontrava na outra
extremidade do canal menor.
4. Conclusão
Neste trabalho, o processo de drenagem em um poro de duplo canal de
seção transversal retangular é analisado experimentalmente e comparado com a literatura.
Os resultados obtidos pela primeira injeção de água foram concordantes com o esperado,
enquanto que com o aumento da taxa de injeção observou-se o deslocamento do óleo tanto
no canal menor, quanto no canal maior. Este foi uma observação não esperada e que pode
ser explicada pelo transporte de óleo por meio de filmes finos que ficam próximos aos
cantos dos microcanais. Isto evidencia a importância de um estudo mais aprofundado das
características envolvidas na visualização de deslocamento imiscível e uma analise com
mais detalhes na mobilidade do óleo por meio de filmes finos em rochas reservatório, fator
este que pode impactar fortemente na fração de óleo residual.
5. Referências Bibliográficas
A.S. El Din Saad Ibrahim. Investigation of the Mobilization of Residual Oil Using
Micromodels. Society of Petroleum Engineers (2009).
R. Lenormand. J. Phys.: Condens. Matter 2 (1990)
I. Chatzis, F.A.L. Dullien. J. Colloid Interface Sci 91(1):199 (1983).
C. Cottin, H. Bodiguel, A. Colin. Influence of wetting conditions on drainage in porous
media: A microfluidic study (2011).
A.A. Keller, M.J. Blunt, P.V.R. Roberts. Micromodel observation of the role of oil layers
in three-phase flow (1996).
Xia, Y., and G.M. Whitesides. Soft lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37:550–
575 (1998).
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio e suporte financeiro do CENPES/PETROBRAS fornecido
por meio da Rede de Simulação e Gerenciamento de Reservatórios (SIGER).
*E-mail: [email protected]
Microfluidics applied on polymeric drug delivery
systems
Débora Freitas do Nascimento1,2 *, Franceline Reynaud1, Maria de Fátima Vieira
Marques1, Esther Amstad2, David Weitz2
1
IMA / UFRJ – Rio de Janeiro, RJ, Brazil
2
SEAS/HARVARD – Cambridge, MA, USA
Abstract
Polymeric drug delivery systems are widely used with the aim to assemble more effective treatment.
The present work shows the development of polymeric drug delivery systems for controlled release of
isoniazid. We studied the influence of the composition and structure of polymeric vehicles on the
release of encapsulants. We employed microfluidic to assemble monodisperse droplets containing
poly(ethylene glycol) (PEG), chitosan (CHT) and alginate (ALG) with isoniazid (INH) as encapsulant.
The encapsulant was released within 30 min. PEG and CHT show a slightly slower release of isoniazid
compared to ALG. The release was considered very fast, to successfully design delivery vehicles, we
intend to gain a closer control over the release kinetics.
key-words: microfluidics; drug delivery; polymer; tuberculosis
Introduction
To develop more effective and compliant medicines many approaches are used
nowadays, polymeric drug delivery systems are the most promising ones. The present
work shows the development of polymeric drug delivery systems for controlled
release of antibiotics used in the treatment of tuberculosis (TB) (Figure 1). We intend
to study the influence of the composition and structure of polymeric drug delivery
vehicles on the release kinetics of encapsulated drugs. We employ microfluidic
technologies to assemble well-defined, monodisperse drug delivery systems.
!
Figure 1 (a): Schematic curves of level-time of the drug in the blood of conventional dosage forms and
controlled release. [1]; (b): Chemical structures of: (a) Rifampicin (RIF), (b) Pyrazinamide, (c)
Ethambutol and (d) Isoniazid (INH) [2]
Experimental procedure
Microfluidics devices were used to assemble monodisperse aqueous single emulsion
drops (Figure 2). We assembled drops containing poly(ethylene glycol) (PEG),
chitosan (CHT) and alginate (ALG) and studied their interactions with isoniazid
(INH).
Figure 2 – Microfluidics device used to obtain microparticles
Alginate was crosslinked with calcium to maintain the droplets even after transfer to
water. The mechanism of alginate crosslinking is described at Figure 3.
Figure 3 – Mechanism of alginate crosslinking
Results e Discussion
The crosslink density of alginate microcapsules was changed by modifying the
calcium concentration (Figure 4); besides that the microscale porosity of the system
was modified by adding PEG (Figure 5); PEG is immiscible in alginate therefore
phase separates.
Figure 4 – Influence of calcium concentration
Figure 5 – Influence of poly(ethylene glycol) (PEG) on alginate (ALG) microparticles
The encapsulant was released within 30 min. PEG and CHT show a slightly slower
release of isoniazid compared to ALG, we assign this faster release to a weaker
interaction of isoniazid with alginate (Figure 6).
Figure 6 – Release profiles of INH from ALG 100, 200 and 300 mM, CHT and PEG
Conclusion
The challenges that are faced in the development of a more effective, compliant and
also affordable TB pharmacotherapy may be overcome with the use of polymers in
the development of new drug delivery systems to controlled release. To successfully
design such delivery vehicles, we intend to gain a closer control over the release.
Acknowledgment
IMA, HARVARD, WeitzLab, Fiocruz, Sigma Aldrich, CNPq (CsF)
References
[1] Ansel; Popovich; Allen Jr. (2000)
[2] Shewiyo, D. H. et.al. Journal of Chromatography A, 1260, 232–238 (2012)
[3] Duncanson, W. J et. al. Soft Matter, 8, 10636-10640 (2012)
*[email protected]
Interação de Membranas Suspensas de Grafeno com
Meios Líquidos via Canais Microfluídicos Enterrados
Gustavo Arrighi Ferrari1, Camilla K. Oliveira1, Ive Silvestre 1, Welyson Tiano dos Santos
Ramos1, Bernardo R. A. Neves, Rodrigo Gribel Lacerda1
1
Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Física, Laboratóriode
Nanomateriais, Belo Horizonte, MG, Brazil
O material grafeno é constituído por uma única camada de átomos de carbono formando
uma rede hexagonal. Atualmente, a exploração do uso do grafeno como uma membrana
vem abrindo novas oportunidades de aplicação deste em diversas áreas. Neste trabalho,
apresentaremos a integração de membranas “janelas” suspensas de grafeno com canais
microfluídicos “enterrados” criando uma plataforma para o estudo da interação da
monocamada de grafeno com meios líquidos. Esta plataforma foi construída utilizando
técnicas de litografia óptica e o grafeno utilizado foi crescido pela técnica de CVD. O
processo de fabricação dos canais microfluídicos “enterrados” consiste na deposição de
uma camada de SiN (280 nm) sobre um substrato de Si. Utilizando litografia óptica e
técnicas de corrosão, o SiN é corroído em janelas com tamanhos de 3, 4 e 7 µm e canais
enterrados de 200 µm de profundidade. Uma vez finalizada a fabricação da plataforma, o
processo de transferência é realizado, gerando membranas suspensas de grafeno sobre o
canal microfluídico. Inicialmente, iremos mostrar a morfologia da superfície de um
material com apenas uma camada de átomos sobre o líquido (água) e estudo das
propriedades mecânicas do grafeno, utilizando técnicas de SPM, sob condição sem
líquido (suspensa) e com líquido. A integração do grafeno com uma arquitetura
microfluídica pode ser bastante promissora para o desenvolvimento de aplicações em
(bio)sensores.
Palavras chaves: membranas, grafeno, microfluídica, sensores
Agradecimentos: Os autores encontram-se em débito com o Prof. Paul McEuen (Cornell).
Os autores também gostariam de agradecer ao CNF (Cornell), Fapemig, Cnpq/MCT e
Capes pelo suporte.
IV Workshop em Microfluídica
24-25 de julho de 2014
Campinas, São Paulo
Electrokinetic Modeling for Particle Trapping at the Microscale.
Jaione Tirapu Azpiroza*, Yuksel Temizb, Emmanuel Delamarcheb, Ricardo Ohtaa,
Claudius Fegera
a
IBM Research, Av. Pasteur 138&146, Rio de Janeiro, Brasil
b
IBM Research GmbH, Säumerstrasse 4, 8803 Rüschlikon, Switzerland
*[email protected]
In the past couple of decades, and facilitated by the advances in microfabrication
technology, microfluidic devices and systems have emerged as powerful tools in the
intersection between fluid dynamics and bio-medical and chemical research. The large
surface area-to-volume ratios at the microscale lead to the manifestation of physical
effects that can be harnessed to manipulate and control fluids in ways not possible at
macroscopic scales. One such microfluidic application relates to the ability to manipulate
microparticles or microorganisms suspended in fluids, for separation and isolation, or
enrichment and concentration to facilitate analysis.
In this paper, we explore a label-free manipulation method that involves creating large
electric field intensity gradients capable of trapping small objects, such as microspheres
or beads, in highly specific positions. This phenomenon is a manifestation of
dielectrophoretic forces, resulting from the polarization of the particle’s bound charges
within the non-uniform electric field, and it can be used to immobilize particles flowing
in microchannel by applying a force larger than the fluidic drag. We induce
dielectrophoresis forces on dielectric microspheres suspended in a continuous-flow
silicon microfluidic channel through integrated thin electrodes on the walls, with their
shape and dimensions carefully designed to produce the desired effects.
In this paper we present a methodology for modeling and simulating the combined effects
of the fluid drag and dielectrophoretic forces on microspheres of varying properties using
finite element simulations in COMSOL Multiphysics®. The modeling capability is then
applied to the design of advanced electrode configurations for the efficient trapping of
microbeads. Experimental verification of the model accuracy and the efficiency of the
electrode designs fabricated on silicon microchannels with a transparent cover for
measurement will be presented[1,2].
Keywords: Microfluidics, Dielectrophoresis, Modeling, Silicon, Trapping.
[1] “Dielectrophoretic Trapping of Beads in Compact Capillary-Driven Systems with
Multiwall Electrodes”, Y. Temiz, G.V. Kaigala and E. Delamarche,17th International
Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences. 27-31 October
2013, Freiburg, Germany
[2] "Chip-olate" and dry-film resists for efficient fabrication, singulation and sealing of
microfluidic chips, Yuksel Temiz and Emmanuel Delamarche. Submitted to J.
Micromechanics and Microengineering.
Correção do efeito de Schlieren para determinações
fotométricas em microssistemas fluídicos
Laiz de Oliveira Magalhães* (UnB), Alexandre Fonseca (UnB) e Ana Cristi Basile Dias (UnB)
Resumo:
O presente trabalho apresenta uma estratégia eficiente e de baixo custo para a correção do efeito de
Schlieren em medidas fotométricas realizadas em sistemas microfluídicos. Este efeito indesejável é
atribuído a alterações na propagação da luz em um meio devido a gradientes de concentração, os quais
levam a variação do sinal analítico não relacionada à espécie de interesse com conseqüente diminuição
da razão sinal/ruído. Na presente proposta, demonstrou-se que medidas realizadas em dois
comprimentos de onda a partir de um LED bicolor são capazes de corrigir este efeito, uma vez que um
dos comprimentos de onda responde apenas ao efeito de Schlieren e o outro responde ao efeito e também
ao analito. Foi observado que o sinal resultante da diferença entre as referidas medidas proporciona
uma correção praticamente completa do efeito, mesmo quando as soluções de trabalho apresentam
diferenças de concentração da ordem de 0,5 mol L-1 em soluto.
Palavras-chave:, Efeito de Schlieren, LED, Microssistemas de Análise e Fotometria
INTRODUÇÃO
O efeito de Schlieren1, descrito como conseqüência das inflexões da luz ao
atravessar meios com diferentes índices de refração, pode alterar drasticamente o sinal
analítico em medidas fotométricas realizadas em fluxo, dificultando a determinação de
espécies em baixa concentração e que estão presentes em matrizes relativamente
complexas. Esse efeito gera uma grande variação no sinal de medida, não relacionada à
espécie de interesse, devido à formação de lentes e espelhos no meio que podem
aumentar ou diminuir a intensidade da radiação que atinge o detector, diminuindo a
razão sinal/ruído e, conseqüentemente, a sensibilidade do método. Em sistemas
miniaturizados, o efeito de Schlieren é ainda mais pronunciado, uma vez que a mistura
de soluções com concentrações muito diferentes é limitada pela pequena dimensão dos
canais. Neste sentido, o presente trabalho demonstra como as medidas realizadas com
um LED bicolor em um microssistema de análise em fluxo podem ser utilizadas para a
correção deste efeito sob condição de elevada diferença de concentração das soluções de
trabalho.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para os estudos, empregou-se um microssistema de análise por injeção em fluxo
(µFIA) construído em uretano-acrilato2 com uma célula fotométrica integrada com
caminho óptico de 10 mm. Um LED bicolor de 10 W (LZ4-00MA10, LedEngin)
emitindo em 520 nm e 620 nm foi utilizado como fonte de radiação para as medidas,
sendo a radiação do LED guiada até o microssistema por uma fibra óptica plástica com
diâmetro de 250 µm. Da mesma forma, outra fibra óptica foi empregada para guiar a
radiação do µFIA até o detector (fotodiodo OPT-101). Ensaios preliminares foram
realizados injetando-se hidrodinamicamente cerca de 3,0 µL de soluções de NaCl (0,1 a
0,5 mol L-1) em um fluxo carregador de água destilada à uma vazão de 100 µL min-1.
Após as injeções, as medidas em ambos os comprimentos de onda foram realizadas
seqüencialmente em intervalos de aproximadamente 100 ms, sendo os resultados
adquiridos por um microcomputador. Em outro ensaio, soluções contendo íons nitrito
(1,0 mg L-1) e NaCl (0,1 mol L-1) foram injetadas em um fluxo carregador do reagente
cromogênico para nitrito (n-naftiletilenodiamina 0,2 g L-1 e Sulfanilamida 0,5 g L-1), a
fim de avaliar a influência da composição da amostra na aquisição do sinal analítico.
RESULTADOS e DISCUSSÃO
A Figura 1(a) mostra os sinais obtidos após as injeções das soluções de NaCl em
ambos os comprimentos de onda e também para a diferença entre eles (sinal corrigido).
Pode-se observar que os sinais obtidos em cada comprimento de onda são drasticamente
alterados com o aumento da concentração das soluções salinas injetadas, embora estas
soluções não absorvam radiação nestes comprimentos de onda. Por outro lado, os sinais
resultantes da diferença entre as medidas em ambos os comprimentos de onda
permanecem praticamente inalterados sob as mesmas condições, demonstrando a efetiva
correção do efeito de Schlieren. Deve-se salientar, entretanto, que esta correção só foi
possível após o ajuste individual das intensidades das radiações emitidas pelo LED em
520 e 620 nm, o que proporcionou a mesma amplitude para efeito de Schlieren em
ambos os comprimentos de onda. De fato, a literatura1 sugere que a correção deste
efeito a partir de medidas com um espectrofotômetro em dois comprimentos de onda
deve ser realizada após um ajuste matemático do sinal, uma vez que a intensidade do
efeito é diferente para diferentes comprimentos de onda.
Os resultados obtidos para as injeções de soluções de nitrito contendo NaCl são
apresentados na Figura 1(b), na qual a radiação de 520 nm sofre o efeito de Schlieren e
é também absorvida pelo cromóforo (Nitrito com reagentes colorimétricos) enquanto a
radiação de 620 nm responde apenas ao efeito de Schlieren. Comparando-se os sinais
obtidos para as soluções do branco (apenas NaCl 0,1 mol L-1) e de um padrão na
presença do sal (NO2- 1,0 mg L-1 com NaCl 0,1 mol L-1) observa-se que o sinal
corrigido permite diferenciar claramente as injeções do branco daquelas para o padrão,
confirmando a correção do efeito.
Figura 1: Respostas obtidas para injeções de diferentes soluções de NaCl em fluxo de água destilada (a) e respostas
obtidas para as injeções de soluções de 0,1 mol L-1 de NaCl e solução contendo NO2- 1,0 mg L-1 em NaCl 0,1 mol L-1
em fluxo de reagente cromogênico (n-naftiletilenodiamina 0,2 g L-1 e Sulfanilamida 0,5 g L-1) (b).
CONCLUSÕES
A correção do efeito de Schlieren para detecção fotométrica em sistemas microfluídicos
pode ser realizada de forma eficiente a partir de medidas em dois comprimentos de onda
empregando-se um LED bicolor.
REFERÊNCIAS:
[1]. A. C. B. Dias, Talanta 68, 1076 (2006).
[2]. A. Fonseca, Analytica Chimica Acta 603, 159 (2007).
AGRADECIMENTOS
Ao CnPq pelo suporte, ao INCTAA e ao IQ-UnB (PPGQ)
*[email protected]
Selagem adesiva de sacrifício: um método potencial para a
fabricação de microdispositivos de vidro
Leandro Y. Shiroma, Paulo A. G. C. Leão, Maria H. O. Piazzetta, Alessandra M. Monteiro,
Angelo L. Gobbi, Emanuel Carrilho e Renato S. Lima
Este trabalho descreve o desenvolvimento de um método inédito para a fabricação de microdispositivos de vidro.
Designado como selagem adesiva de sacrifício (SAB), ele baseia-se no uso de uma camada adesiva que contempla
duas funções sequenciais: (i) permitir uma selagem preliminar (usando o adesivo ainda não polimerizado) e (ii)
gerar canais microfluídicos com propriedades similares às do vidro. Microfluídica • Vidro • Selagem.
Introdução
Em linhas gerais, o vidro é o substrato mais adequado para aplicações em microfluídica.
Suas vantagens incluem: (i) estabilidade termomecânica, (ii) inércia química, (iii) transparência
óptica e (iv) coeficientes de expansão térmica similares àqueles dos compostos metálicos e
semicondutores.1 Essa última característica permite a deposição de semicondutores e metais
sem geração de estresse térmico até temperaturas consideráveis, eliminando os riscos de
formação de rachaduras e/ou remoção dos filmes finos depositados. Em adição, o vidro é o
material ideal para separações por eletroforese capilar. Sua química de superfície, densa em
grupos silanois ionizáveis, promove um fluxo eletrosmótico estável e elevado o que resulta em
separações reprodutíveis e de alta resolução. Por fim, sua condutividade térmica (1,5 W mK−1)
possibilita a aplicação de campos elétricos maiores do que 600 V cm−1 sem a geração de efeito
Joule, contribuindo para separações com eficiência elevada em tempos reduzidos.2
Não obstante as vantagens diversas intrínsecas ao vidro, seu processo de microfabricação
envolve, em geral, uma instrumentação de custo elevado e um protocolo laborioso e lento. Esses
fatores se devem, em particular, à etapa de selagem (térmica), que requer condições extremas
de temperatura, envolve um investimento alto e pode levar mais do que 24 h.1 Considerandose as vantagens diversas do vidro para uso em microfluídica e, por outro lado, os inconvenientes
relacionados ao seu processo de selagem, reportamos um método potencial para a fabricação
de microchips de vidro. Designado como selagem adesiva de sacrifício (SAB), ele baseia-se no
uso de uma camada adesiva de SU-8 que contempla duas funções sequenciais: (i) permitir uma
selagem preliminar (usando o adesivo ainda não curado) e (ii) gerar canais microfluídicos com
propriedades similares às do vidro. Isso é alcançado mediante a remoção da camada adesiva no
interior do canal bombeando-se a solução reveladora dessa camada como mostra a Figura 1.
Figura 1. Etapas do processo SAB (a-f) e de deposição do filme de Al no interior do microcanal (g-l). Lâmina plana de vidro (glass) (a),
deposição do SU-8 (spinning) sobre essa lâmina seguida da etapa de prebake (b), selagem preliminar pressionando a lâmina plana contra o
substrato contendo canal recoberto por filme opaco de Al (dourado na figura) (c), cura (exposição UV e PEB) do resiste em volta do canal (d),
remoção do SU-8 não curado e do filme fino presentes no interior do canal bombeando-se soluções removedores específicas (fluidos
representados em azul) (e) e resultado final (f). Lâmina plana de vidro (g), deposição de fotorresiste (resist) positivo (spinning) sobre essa
lâmina seguida da etapa de prebake (h), etapas de fotolitografia (exposição UV e revelação) para transferência de padrão (i), corrosão via
úmida do vidro gerando o microcanal (j), deposição por sputtering de Al (OF, opaque film) sobre toda a lâmina do sustrato (k) e lift-off o que
resulta no preenchimento seletivo do canal pelo Al sem a necessida de etapas de alinhamento (l).
Procedimento experimental
As etapas principais de microfabricação são descritas na Figura 1. Demais procedimentos
experimentais incluem: (i) estudo de uniformidade dos filmes de SU-8 depositados por spinning
(espessuras dos filmes foram medidas por perfilometria); (ii) teste da força de adesão (pressões
no interior do canal resultantes do transporte hidrodinâmico de água a vazões diferentes foram
medidas usando uma bomba de HPLC) e (iii) avaliação do efeito das camadas residuais de SU8 sobre as propriedades de superfície do microcanal (a capacidade de dissipação térmica foi
analisada mediante gráficos da lei de Ohm em tampão fosfato 20 mmol L−1, pH 8).
Resultados e discussão
Os valores globais médios de espessura e seus respectivos intervalos de confiança (nível de
confiança de 95%) foram iguais a 4,35 ± 0,08 µm, com uma rugosidade média quadrática de
apenas 0,59 nm.
Não foram verificados vazamentos nos canais durante os testes de força de adesão, os quais
geraram pressões de até 4 MPa.
Para canais vidro/SU-8 e vidro/vidro, o efeito Joule foi registrado sob campos elétricos
maiores do que 580 e 700 V cm−1, respectivamente. As camadas residuais de SU-8 obtidas ao
término do processo SAB, por sua vez, não interferiram nas propriedades do microcanal. Esse
mostrou um comportamento similar àquele de microcanais vidro/vidro (selados termicamente).
Em ambos os casos, o efeito Joule foi gerado apenas sob um campo superior a 700 V cm−1.
Conclusões
A selagem com camada adesiva de sacrifício se mostrou uma alternativa potencial para a
fabricação de sistemas microfluídicos de vidro. Seu processo exibe requisitos de um método
ideal, quais sejam: (i) custo relativamente baixo; (ii) rapidez―oxidação das superfícies em
plasma/fase líquida ou processos de funcionalização não são requeridos; (iii) adequação para
processos ULSI; (iv) elimina o uso de temperatura, pressão ou potencial elétrico elevados,
permitindo a deposição de filmes finos e evitando os riscos de estresse térmico e (v) demanda
de níveis de limpeza e planaridade das lâminas baixos, prescindindo o uso de salas “limpas”.
Ademais, somente o vidro contribui para as propriedades de superfície do canal, mantendo as
vantagens advindas desse material e evitando interferências sobre o resultado analítico dadas
as interações entre a amostra e a camada adesiva.
É importante destacar também os aspectos positivos provenientes do uso do SU-8 como
camada adesiva. Em adição a parâmetros como estabilidade térmica, inércia química,
transparência óptica, sensibilidade, contraste e resolução à radiação UV e compatibilidade com
as técnicas de deposição de filmes finos, esse resiste não agrega muitas das limitações inerentes
a polímeros como o PDMS, incluindo os fenômenos de (i) absorção e adsorção não específicas,
(ii) intumescimento em solventes orgânicos e (iii) desempenho em separações eletroforéticas
insatisfatório.
Referências
1.
2.
M. J. MADOU, Fundamentals of microfabrication and nanotechnology. Manufacturing techniques
for microfabrication and nanotechnology, 2011, Volume II, Third Ed. New York, CRC Press.
P. N. Nge, C. I. Rogers and A. T. Woolley, Chemical Reviews 113, 2550 (2013).
E-mail: [email protected].
Agradecimentos
FAPESP (processo 2010/08559-5).
MICROREATORES FOTOCATALÍTICOS,
PROTOTIPAGEM E TESTES DE
FOTODEGRADAÇÃO DE CORANTES ORGÂNICOS
Vinicius Modoloa, Renan Rezendea, Rodrigo Diasa , Omar Pandolia
Departamento de Química, Pontificia Universidade Católica, Rio de Janeiro, Brasil
Email: [email protected]
Resumo
a
Reações fotoquímicas realizadas em microreatores apresentam benefícios como: maior
homogeneidade de iluminação, melhor penetração luminosa no dispositivo e menor gasto de materiais.
Incorporando-se um sistema PDMS/vidro, integram-se materiais nanoestruturados e avalia-se a taxa de
fotodegradação. Com avaliações de velocidade do fluxo, é possível se obter até 65,42% de degradação dos
corantes estudados.
Palavras Chave: fotoquímica, microreatores, fotodegradação
Introdução
Diversos sistemas microfluídicos foram criados e caracterizados por vários grupos
de pesquisa na última década. O propósito científico para a utilização deste tipo de sistema
está na grande vantagem deste com relação aos métodos convencionais, como por exemplo,
a pequena distância para difusão molecular, rápida mistura e eficiente troca de calor.
Existem diversas técnicas para a prototipagem de sistemas microfluídicos. Estas técnicas
devem ser rápidas e apresentar baixo custo desde a etapa de concepção de seu design até o
teste final do sistema. Para atender estas exigências, a produção deve ser baseada numa
técnica simples e com recursos instrumentais de baixo custo. Reações fotoquímicas
realizadas em microreatores apresentam benefícios, como por exemplo maior
homogeneidade de iluminação, melhor penetração luminosa no dispositivo e menor gasto
de materiais, o que faz com que seja possível realizar reações de fotodegradação orgânica
em escala micro.
Objetivo
Apresentar uma técnica rápida e barata para a microfabricação de dispositivos
microfluídicos PDMS (polidimetilsiloxano) sob vidro. Integrar materiais nanoestruturado
em microcanais/área. Avaliar a capacidade de fotodegradação dos microreatores criados
após a deposição de TiO 2 monitorando a taxa de descoloração de um corante orgânico em
.
água sob a ação da luz ultravioleta.
Metodologia
A partir de desenhos CAD, lâminas de vidro para microscópio, fita adesiva e uma
máquina de corte a laser CO2, foi possível criar um molde mestre para a criação e réplica de
diversos microreatores em PDMS. Primeramente aplica-se a fita adesiva em um dos lados
da lâmina de vidro, podendo aplicar 2 fitas caso queira que o molde possua uma maior
altura (100µm), após, com o auxílio de um laser de CO2, a fita é cortada a partir do molde
CAD . Após o corte, retira-se a fita e têm-se assim o molde mestre (Fig 1A). Uma mistura
PDMS/Agente curador (10:1) é despejada na superfície do molde (Fita/Vidro) e é curado
após uma hora no forno à 60ºC (Fig 1B-C). O PDMS sólido é então cortado e retirado da
lâmina molde “Peel Out”, obtendo assim os canais impressos na superfície do PDMS (Fig
1D). Uma nova lâmina de vidro e o PDMS são tratados com plasma de O2 para a selagem e
criação do dispositivo microfluídico PDMS/Vidro (Fig 1D-E). Este processo pode ser
repetido muitas vezes para a replicacão do PDMS com os canais impressos.
Para a criação de um microreator fotocatalítico,
é necessário a integração de particulas nanoestruturadas
de TiO2 em fase cristalina anatase. O P25 (Degussa)
0,1% m/m em H2O milliQ foi utilizado para a deposição
no PDMS. Para promover melhor espalhamento, o
PDMS é tratado previamente com plasma para que sua
superfície se torne hidrofílica. Após o gotejamento e
secagem de 30 µL de P25 o sistema PDMS/Vidro é
selado pelo tratamento de plasma (Fig 2D-E). Com o
microreator fotocatalítico preparado, testes de Figura 1: (A) Corte com Laser CO2 (B)
com a mistura de PDMS
fotodegradação foram executados com os corantes Preenchimnto
(C) Cura do polímero a 60ºC por 1h (D)
orgânicos azul de metileno e rodamina. O teste é Peel Out (E) Selagem após tratamento
realizado em uma câmara escura na presença de duas com plasma de O2
lâmpada UV de 6W. O microreator é posicionado entre as lâmpadas e 4 mL das soluções
de azul de metileno 10-5 mol L-1 e rodamina 10-6 mol L-1 são fluxadas com diferentes
velocidades (2 e 3 mL h-1), com o auxílio de uma bomba de seringa. As solucões são
coletadas e levadas para análise e determinação de descoloração por meio da espectroscopia
UV-Vis.
Resultados e Discussões
Os dados da fotodegradação com P25 e sem P25 (Branco), são indicados na tabela:
Taxa de
Solução
Absorbância (Abs)
descoloração (%)
Rodamina 10-6 M
0,5133
Branco 2ml/h
0,3919
23,77
Branco 3ml/h
0,4245
17,30
P25* 2 ml/h
0,1812
64,70
P25* 3 ml/h
0,2926
42,99
Tabela 1: Dados espectroscópicos UV-Vis da Rodamina em presenca de P25* e sem P25 (branco)
Pode-se perceber que a luz UV sozinha possui um leve poder de degradação, porém
quando o sistema é incorporado com o TiO2 este poder de degradação tem um aumento
significativo até uma taxa de 64%. Analisando as diferentes velocidades de fluxo de injeção
do corante, percebe-se que a taxa de descoloração com velocidade de 2 mL h-1 é mais
eficiente, isto se dá pois com velocidades menores o tempo de residência é maior. Com
velocidades ≥ 4 mL h-1 foi observado uma lixiviação do TiO2.
Conclusão
É possível criar um dispositivo microfluídico com um método rápido, barato e
utilizando uma técnica simples. Pode-se degradar corantes orgânicos incorporando
nanopartículas de TiO2 em fase anatase nos canais do microreator e controlando a
velocidade de fluxo. Ao fazer o teste de fotodegradação no corante azul de metileno, foi
obtida uma taxa de descoloração de até 65,42% e com a Rodamina uma taxa de 64,70%.
A prototipagem rápida de microreatores é necessária para estudos de novos materias
baseados em TiO2 sintetizado no nosso laboratório da PUC-Rio. Este trabalho de IC será
útil para futuros estudos focados na oxidação seletiva em química orgânica.
Apresentação
em Poster
Patrocínio
Empresa Participante
Organização
http://pages.cnpem.br/workshopmicrofluidica
Produção de microgéis em dispositivos de microfluidica
F. Y. Ushikubo, A. L. R. Costa*, D. R. B. de Oliveira, R. L. Cunha
Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas
Resumo
Microgéis de goma gelana (0,7% m/m) foram produzidos utilizando o gelificante CaCl2 e como fase contínua
óleo de soja e emulsificante PGPR (5% m/m). Foram variadas as vazões de entrada das fases dispersa e
contínua e avaliou-se as condições de formação de microgéis de gelana nos microcanais. Antes da retirada dos
microgéis, verificou-se diâmetros de gotas de 131 ±7 µm, 69± 4 µm e 60± 3 µm nas respectivas vazões de 2, 4 e
8 µl/min da fase contínua, com coeficientes de variação entre 5 e 6%, indicando baixa polidispersão. No
entanto, ao se observar a microscopia de fluorescência da amostra coletada após retirada dos canais, verificouse que as gotas se romperam ao sair do dispositivo, gerando grande polidispersidade. Inicialmente o regime de
formação de gotas era gotejamento, com o tempo as gotas se rompiam no regime de jateamento e
ocasionalmente, a formação do gel era contínua, sem o rompimento de gotas.
Palavras-chaves: goma gelana, monodispersão, regime de formação de gotas.
Introdução
Dispositivos microfluidicos podem ser utilizados para gerar microgéis com
distribuição de tamanho de baixa polidispersidade e elevada eficiência de encapsulação. A
possibilidade de utilizar gelana para a formação de hidrogéis é interessante pela sua alta
resistência a baixos valores de pH, o que permitiria a encapsulação de compostos alimentícios
que passassem intactos pelo estômago, sendo liberados somente no intestino. A encapsulação
de compostos utilizando a gelana já foi realizada em processos convencionais, porém, até o
momento, não existem estudos sobre a formação de microgéis de gelana em dispositivos
microfluidicos. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar as condições de formação
de microgéis de gelana nos microcanais.
Procedimento Experimental
Microcanais com três entradas foram projetados em AutoCAD 2012 (Autodesk, EUA)
e produzidos em polidimetilsiloxano (PDMS) pela técnica de litografia macia. Estes foram
conectados a três bombas seringa (PHD22/2000, Havard Apparatus, EUA) para o
bombeamento das fases para o interior dos canais. O processo de formação das gotas na
junção dos canais foi observado em microscópio Multizoom AZ100 (Nikon, Japão). Na
entrada 1 foi injetada a fase contínua, constituída de óleo de soja (Bunge Alimentos, Brasil)
com 5% (m/m) do emulsificante polirricinoleato de poliglicerol (PGPR) (Danisco,
Dinamarca). Na entrada 2 injetou-se a solução de gelana 0,7% (m/m) (Kelco, EUA) e na
entrada 3 a solução de CaCl2 1,5% (m/v) (Dinâmica, Brasil). Para a formação das gotas,
fixou-se a vazão da fase dispersa em 0,5 µL/min da solução de gelana e 1,5 µL /min de CaCl2.
A vazão da fase contínua variou de 2 a 8 µL /min.
2
1
3
4
Figura 1- Dispositivo com três entradas
para a produção de microgéis por
gelificação interna.
Resultados e Discussão
Observando-se as imagens obtidas na expansão dos canais, isto é, antes da retirada dos
microgéis, verificou-se diâmetros de gotas de 131±7 µm, 69±4 µm e 60±3 µm nas respectivas
vazões de 2, 4 e 8 µl/min da fase contínua (Figura 1A, 1B e 1C), com coeficientes de variação
entre 5 e 6%, indicando baixa polidispersão. No entanto, ao se observar a microscopia de
fluorescência da amostra coletada após retirada dos canais (Figura 2D), verificou-se que as
gotas se romperam ao sair do dispositivo, gerando grande polidispersidade. Este resultado
indica que o tempo de residência das gotas dentro do dispositivo não foi suficiente para a sua
gelificação. Além disso, a imagem mostra que há gotas contendo gelana (em verde), outras
somente CaCl2 (gotas pretas), e ainda há algumas com a mistura não homogênea dos dois
fluidos. Com isso, nota-se que a mistura da gelana com o agente gelificante não foi eficaz.
A
C
B
D
Figura 2- Gotas produzidas nas condições 0,5 µl/min gelana, 1,5µl/min CaCl2 e A) 2 µl/min,
B) 4 µl/min, C) 8 µl/min de óleo de soja com PGPR, D) Microscopia de fluorescência da
suspensão de microgéis de gelana (barra de escala equivale a 200µm).
No início do contato da gelana com a solução de CaCl2, o regime de formação de
gotas era de gotejamento, com as gotas se rompendo logo após a junção, conforme observado
na Figura 3A. No entanto, com o tempo, houve formação de gel logo após a junção dos
canais, no formato de um jato, em cuja extremidade as gotas se rompiam, como no regime de
jateamento (Figura 3B). Ocasionalmente, a formação do gel era contínua, sem o rompimento
das gotas (Figura 3C).
A
B
C
Figura 3- Formação de gotas de gelana: A) regime de gotejamento, B) regime de jateamento
e C) sem rompimento de gotas (barra de escala equivale a 200µm).
Conclusão
Microgéis de goma gelana altamente monodispersos e com tamanho ajustável podem
ser obtidos pelo controle do regime de formação de gotas que está associado às condições de
processo, vazões de entrada da fase dispersa e contínua. Para a remoção dos microgéis dos
dispositivos devem ser feitas alterações na configuração dos microcanais quanto ao tempo de
residência e técnicas de mistura da fase dispersa dentro dos dispositivos.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio técnico do Professor Angelo Gobbi e da Maria Helena de
Oliveira Piazzeto e a infraestrutura do Laboratório de Microfabricação do Centro Nacional de
Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Também gostaríamos de agradecer ao apoio
financeiro da FAPESP (2011/06.083-0) e do CNPq.
*contato: [email protected]
CONTROLE DE VAZÃO EM CANAIS
MICROFLUÍDICOS
Cristhiano da Costa Herrera
Wagner de Rossi
Resumo: Este trabalho mostra os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema microfluídico
construído para se obter um controle de vazão em malha aberta. A vazão gerada é obtida por diferença de
pressão entre a entrada e a saída do sistema. Pulsos laser ultracurtos, de poucas dezenas de femtossegundos,
foram utilizados para usinagem de microcanais em vidro óptico borosilicato (BK7) na construção do circuito
microfluídico. O sistema é composto de dois substratos de vidro BK7 contendo microcanais usinados a laser,
onde no primeiro deles circula o líquido, e o segundo possibilita o controle do fluxo desse líquido. Entre os dois
substratos de vidro é utilizada um fina película de polidimetilsiloxano (PDMS), um polímero de baixo custo
bastante flexível, cuja movimentação é controlada por uma micro eletroválvula pneumática acoplada ao
circuito de controle. Para controle da micro eletroválvula utiliza-se uma placa microcontrolada.
Palavras-chave: Microfluídica, Usinagem a laser, BK7, PDMS, Controle de vazão.
1. INTRODUÇÃO
Um sistema microfluídico é definido como um sistema composto de microcanais,
microválvulas, microbombas, micromisturadores, microagulhas, microssensores, diferindo na
quantidade de elementos que o compõem [1], e dependem da aplicação a que se destina.
O interesse em circuitos microfluídicos tem sido amplamente motivado por aplicações, e as
dimensões e os fluidos são determinados por estas aplicações [2].
A construção de microcanais em diferentes substratos utilizando laser de pulsos ultracurtos
é uma tecnologia desenvolvida e que vem sendo aperfeiçoada dentro do Centro de Aplicações
de Lasers do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) e o desafio que se
apresenta atualmente é construir componentes microfluídicos e integrá-los de forma a se obter
um sistema microfluídico para algumas aplicações específicas.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O circuito microfluídico construído é composto de dois substratos de vidro com
microcanais usinados a laser. O primeiro deles aqui denominado de “circuito base”, por onde
deve circular o líquido a ser manipulado, possui dois microcanais de 100µm x 100µm
interrompidos no meio do caminho (Figura 1). O segundo, denominado de “circuito de controle”, possui um microcanal de 100µm x 100µm com uma ilha circular de 1mm de
diâmetro em sua terminação e tem a finalidade de abrir ou fechar a comunicação entre os dois
canais do circuito base, possibilitando o controle do fluxo do líquido (Figura 2). Entre os dois
substratos é utilizada uma fina película de PDMS, um polímero de baixo custo bastante
flexível completando o circuito microfluídico que pode ser visto na Figura 3.
Figura 1 - Vista ampliada por microscópio do
encontro dos canais no circuito base.
Figura 2 - Vista ampliada por microscópio
do canal no circuito de controle.
Figura 3 - Vista ampliada do
circuito microfluídico.
O sistema microfluídico completo é composto de uma fonte de ar comprimido, dois
reguladores de pressão, um dispositivo para armazenar líquido, uma micro eletroválvula
pneumática, uma placa microcontrolada e o circuito microfluídico descrito anteriormente.
Aplicando pressão no canal inferior (circuito base), o líquido empurra a película de PDMS
permitindo a passagem de um lado para o outro. A aplicação de uma pressão maior no canal
superior (circuito de controle) faz com que a película de PDMS flexione em sentido contrário
interrompendo o fluxo do líquido no canal inferior (circuito base). A aplicação ou não da
pressão no canal superior é feita através de uma micro eletroválvula, comandada por uma
placa microcontrolada MEGA2560 do Arduino.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O líquido utilizado nas experiências foi água misturada com tinta marrom para canetas
tinteiro. Inicialmente, controlando a pressão para deslocamento do liquido no circuito base,
sem atuar na micro eletroválvula NF do circuito de controle, o fluxo do líquido foi observado
e foram feitas várias medidas de vazão em função da pressão imposta pelo mesmo. Os dados
obtidos apresentaram pequena variação e os valores médios encontram-se na Tabela 1.
Uma tabela interessante e útil para a programação do microcontrolador é saber quanto
tempo é necessário para obter um volume de 1µl para os diferentes valores de pressão. A
Tabela 2 nos fornece esses dados e é obtida a partir da Tabela 1.
Pressão (PSI)
2
4
6
8
10
12
Vazão (ul/s)
0,65
1,15
1,73
2,43
3,14
3,56
Tabela 1 - Vazão x pressão para um fluxo contínuo.
Pressão
2
(PSI)
4
6
8
10
12
Tempo para 1µl
1.545,60
(ms)
868,05
578,37
411,35
318,57
280,82
Tabela 2 - Tempo para obter um volume de 1µl para diferentes
pressões
O programa desenvolvido para a gravação na placa microcontrolada permite colocar o
volume total a ser deslocado e estipular quantos microlitros deve ser transportado em cada
abertura da microválvula assim como o tempo de espera para o próximo transporte. Medidas
efetuadas comprovaram a eficiência do sistema.
4. CONCLUSÕES
O sistema microfluídico desenvolvido permite o controle de vazão na ordem de microlitros
com boa precisão e mostrou-se bastante prático e servirá de base para a construção de um
sistema um pouco mais elaborado que terá a finalidade de efetuar o teste de imunoabsorção
enzimática (ELISA - Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay), que permite a detecção de
várias doenças, entre as quais a Toxoplasmose, causada pelo protozoário Toxaplasma gondii e
que inspirou o início deste desenvolvimento.
5. REFERÊNCIAS
[1]R. H. W. Lam et al, IEEE 301, 2004.
[2]G. M. Whitesides, A. D. Stroock, Physics Today 42, 2001.
[email protected]
DISPOSITIVO MICROFLUÍDICO BASEADO NO
PRINCÍPIO DA “LÍNGUA ELETRÔNICA” PARA
ANÁLISE DE DIFERENTES SOLUÇÕES
Resumo
Este trabalho visa a demonstrar a fabricação de uma língua eletrônica com dispositivos microfluídicos.
Cada unidade sensorial foi obtida com um microcanal em PDMS selado sobre eletrodos interdigitados. Filmes
de ftalocianina tetrassulfonada de níquel (NiTsPc) e poli(cloridrato de alilamina) (PAH), Polipirrol (PPy) e
PAH, e poli(3,4-etilenodioxitiofeno):poli(estireno sulfonado) (PEDOT:PSS) e PAH foram depositados sobre os
eletrodos interdigitados com a técnica de automontagem por adsorção física (LbL, layer-by-layer) dinâmica [1].
Medidas de impedância confirmaram a presença dos filmes nanoestruturados. Com análise de componentes
principais (PCA) foi possível verificar diferentes concentrações de sacarose diluídas em HCl e distinguir
soluções de 1mM de NaCl, sacarose, HCl, cafeína anidra, ácido L-glutâmico hidrato de sal monossódico e água
ultrapura, comprovando que os dispositivos microfluídicos podem funcionar como língua eletrônica.
Palavras chaves: microcanal, automontagem (layer-by-layer), nanoestruturado, impedância e PCA.
Introdução
Neste trabalho foram usadas metodologias de microfluídica, com deposição de filmes
nanoestruturados em microcanais numa matriz de polidimetilsiloxano (PDMS) e análise em
fluxo de diferentes soluções, para produzir uma língua eletrônica. O objetivo é distinguir
soluções características de sabores básicos em várias concentrações, empregando-se um
conjunto de sensores microfluídicos com filmes nanoestruturados de diferentes materiais
sobre os eletrodos interdigitados. Foram realizados experimentos com soluções de 1mM de
NaCl (salgado), sacarose (doce), cafeína anidra (amargo), HCl (azedo) e ácido L-glutâmico
hidrato de sal monossódico (umami). Além disso, analisou-se a possibilidade de diferenciar as
concentrações de sacarose em uma solução de HCl.
Procedimento experimental
Os filmes LbL em fluxo foram depositados dentro do microcanal com uma bomba de
microsseringa (syringe pump), com vazão de 103 µL/h para os filmes de PPy e PEDOT:PSS, e
com vazão zero (estático) para o filme de NiTsPc. Os tempos de deposição para filmes de
PAH/CuTsPc, PAH/PEDOT:PSS e PAH/PPy foram de 8 min, 15 min e 15 min,
respectivamente. Repetindo o processo de injetar solução de policátion, vácuo, lavagem,
vácuo, injetar solução de poliânion, lavagem e vácuo, conseguimos obter filmes
nanoestruturados no interior do microcanal e sobre os eletrodos interdigitados. Usando
espectroscopia de impedância, observamos a variação elétrica de cada camada depositada.
Soluções de 1 mM de NaCl, sacarose, cafeína anidra, HCl e ácido L-glutâmico hidrato de sal
monossódico foram preparadas com água ultrapura e injetadas no microcanal com vazão de
103 µL/h por cerca de 12 min. Para analisar diferentes concentrações de sacarose, foi utilizada
uma solução de HCl com concentração de 1mM à qual foram adicionadas diferentes massas
de sacarose para obter as concentrações de 10-4, 10-3, 10-2 e 10-1 M. As soluções foram
injetadas no microcanal com vazão de 103 µL/h por cerca de 12 min.
Resultados e discussão
A Figura 1 ilustra o crescimento dos filmes automontados no interior de microcanais,
monitorando-se a capacitância na frequência de 1 kHz. Nota-se que a capacitância varia à
medida que novas bicamadas são depositadas para os pares PAH/PPy, PAH/ NiTsPc e
PAH/PEDOT:PSS nos filmes automontados.
12
10
8
PAH
PPy
6
4
1000 /L
0
1
2
3
4
5
6
Bicamadas
50
PAH
NiTsPc
1000 L/h
2,1
(b)
1,8
1,5
0
1
2
3
4
Bicamadas
5
6
Capacitância (nF)
2,4
(a)
Capacitância (nF)
Capacitância (nF)
14
PAH
PEDOT:PSS
0 L/h
40
(c)
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
Medidas
Figura 1- Variação da capacitância a 1 kHz com a deposição de 1 a 5 bicamadas de cada tipo
de filme LbL; (a) PAH/PPy, (b) PAH/ NiTsPc (c) PAH/PEDOT:PSS
O gráfico de PCA da Figura 2a mostra que diferentes sabores podem ser facilmente
distinguidos, com exceção da sacarose cujos pontos ficaram próximo dos da água ultrapura,
indicando que o sistema microfluídico pode atuar como língua eletrônica. Isso também é
demonstrado com diferentes concentrações de sacarose. Observa-se na Figura 2b a distinção
das concentrações de sacarose.
Figura 2 – (a) PCA das soluções com concentração de 1mM; (b) PCA das diferentes
concentrações de sacarose.
Conclusão
Verificamos que é possível empregar técnicas de microfluídica para produzir línguas
eletrônicas. As medidas de impedância, normalmente usadas para detecção com línguas
eletrônicas, também serviram para confirmar a deposição de filmes automontados no interior
do microcanal. Um conjunto de sensores obtidos de filmes automontados com diferentes
polímeros foi empregado como língua eletrônica, cuja eficiência foi demonstrada em gráficos
de PCA para diferentes soluções e concentrações.
Referência
[1]
P. Lavalle, J. C. Voegel, D. Vautier, B. Senger, P. Schaaf, e V. Ball, “Dynamic aspects of films prepared by a sequential deposition of species: perspectives for smart and responsive materials”, Advanced Materials, vol. 23, no 10, p. 1191–1221, 2011
C.M. DAIKUZONO; A. RIUL Jr.; M.H.O. PIAZZETTA; A.L. GOBBI; D.S.CORRÊA;
O.N.OLIVEIRA Jr.
e-mail: [email protected]
Agradecimentos FAPESP (proc 08/06504-2); CAPES; LNNano; CNPEM; INEO e EMBRAPA.
Microfluidic device with pillars for yeast cell retention
D.S. de Lara1*, M.H. Piazzeta2, R. Savu1, M. A. Keiler1, S.A. Moshkalev1, J.W. Swart3
1
CCS – UNICAMP, Rua João Pandiá Calogeras 90, 13083-870, Campinas SP, Brasil
LMF – CNPEM, Rua Giuseppe Máximo Scolfaro 10.000, 13083-970, Campinas, SP, Brasil.
3
FEEC– UNICAMP, Avenida Albert Einstein 400, 13083-852, Campinas, SP, Brasil.
2
Abstract
This work presents the construction and test of a glass/PDMS device with 50 m diameter pillars inside a 1200 m
channel constructed using a Si/SU-8 mold of 50 m thickness film technology. Saccharomyces cerevisiae cells were
hydraulically injected in the device and special cell retention was observed. Dense pillars structures was created in
AutoCad and transferred to a laser writer for the SU-8 sensibilization. The focus of this work is the search for new
monitoring methods for the Brazilian fermentation ethanol industry.
Keywords: pillars; microfluidic; direct laser patterning; SU-8/PDMS molds; Saccharomyces cerevisiae cell, ethanol
production.
1. Introduction
Pillar structures have been used in microchannels for different purposes [1]. While small pillars
can create interesting morphological surface modifications for biomimetics applications, large
pillars can be used for cell retention and grown. The high density structures available in
microelectronics lithography techniques allow us to construct dense PDMS large pillar structures
in order to modify the channel creating specific cell retention structures.
2. Experimental procedure
The complete mold construction procedure was described in previous work [2]. In summary, a 3
inch silicon wafer covered with a 50 m SU-8 thick film directly patterned by a Pg101
Heidelberg laser writer machine was used as mold for the PDMS (polydimethiylsiloxane). After
the peeling of the PDMS structure, the device was made by oxygen plasma bonding of the glass
plate and the PDMS. Hundreds of large pillars having diameters of 50 m and distanced at 50 m
from each other, all inserted in a large channel of 1200 m width, were created.
The complete device, that includes two similar channels, is show in Fig. 1. As can be noticed, one
contains the pillars described above and the other one is plain, without these structures.
In order to overcome Autocad limitations for island recognition, special polygon structures had to
be created for pillar construction. Closed zero width polyline structures were joined together to
create the pillar channel, as shown in Fig. 2.
3. Results and discussion
The entire device was made and tested at Unicamp. The injection was conducted by using a
syringe pump. In Fig. 3 is possible to see the injection of Itaiquara yeast cells (~ 1% w/v) at the
downer entry on the right side of the device together with water with blue dye at the central entry.
The retention of the yeast cells at specific points inside the downer part of the channel is shown
in Fig. 4 (cells attached indicated by arrows) and in Fig. 5 the absence of them.
Fig. 1. Main dimensions(in micrometers) of the device.
Fig. 3. Liquid entry
Fig. 4. Bottom region with
retention of yeast cells
Fig. 2. Pillar creation
inside the channel
Fig. 5. Upper region without
retention of yeast cells
4. Conclusion
Retention of yeast cells was successfully realized using this pillar device. The experiment was
conducted without fluid leaks, showing the possibility of using it in cellular biology.
Acknowledgments
All the authors acknowledge the financial support of FAPESP, CAPES and CNPq foundations.
D.S. de Lara acknowledges the technical support of the CCS, Lamult-IFGW, FEA and CTI staff,
especially E. Gemis, V. Martarello, M. G. Almeida, Prof. C. A. Fracassi da Silva, Prof. Andreas
Gombert.
References
[1] S. Jian, Pillars arrays integrated in microfluidic channels. Microfluidic Devices in
Nanotechnology: Applications, Edited by Challa S. Kumar Copyright 2010 John Wiley & Sons
[2] D. Lara, Pinched injection of Saccharomyces cerevisiae cells into a PDMS microfluidic
device build up using a direct laser patterned mold, Microfluidics workshop LNnano 2013
*Daniel Silva de Lara: [email protected]
Microfluidic sensor based on graphene nanosheets
D.B.T. Mascagni1, M. Ferreira2, N.C. Cruz1, Maria H. O. Piazzetta3, A. Gobbi3, A. Riul Jr4
1 POSMAT, UNESP, Sorocaba, SP, Brazil.
2 PPGCM, UFSCar, Sorocaba, SP, Brazil
3 CNPEM - LNLS - LNNano, Campinas, SP, Brazil.
4 DFA, IFGW, UNICAMP, Campinas, SP, Brazil
e-mail: [email protected]
We present here the fabrication and characterization of nanostructured films of reduced graphene oxide (rGO)
using the dynamic layer-by-layer (LbL) technique for fabrication of microfluidic sensor. Graphite oxide (GO) was
chemically prepared by the Hummers method, further reduced using hydrazine and
Poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) or poly(styrenesulphonate) (PSS). The PDDA and PSS
functionalized reduced graphene oxide (GPDDA e GPSS) resulted in stable aqueous suspensions of negative and
positive charges, respectively, suitable for LbL applications. The LbL films growth inside microchannels made in
a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix by alternating layers of opposite charges by electrostatic interaction, being
the growth monitored in-situ using impedance spectroscopy measurements. The sensitivity of sensors made from
graphene nanosheets with different configurations have been tested for different solutions. Through studies by
Principal Component Analysis (PCA) was possible to differentiate glucose from the other flavors analyzed.
Keywords: nanostructured film sensor, microfluidic, dynamic layer-by-layer, graphene nanosheets.
1. Introduction
Glucose detection has received great attention due to its important role in diabetic
studies. The World Health Organization predicts that the rate of people with diabetes will
double by 2030, therefore, the rapid advance in prevention research becomes increasingly
relevant, including the development of sensors more sensitive in the detection of glucose,
capable of quantifying various sources such as glucose from food or pharmaceuticals.1 Thus,
manufacture sensors using nanomaterials reveals very interesting.
Graphene is a unique 2D material with interesting electronic transport properties, quite
promising for sensing applications.2 The dynamic layer-by-layer (LbL) deposition method
inside of microchannels was chosen envisaging a better alignment of the graphene nanoplatelets
at each deposited layer, as it is well know that the outstanding physical properties of graphene
are favored in the plane of the twodimensional carbon lattice.
Microfluidic sensors with the advantage of a reduction in the use of reagents, samples
and waste, along to increase the reaction rate.3
In this work, LbL graphene nanosheets films were employed in the fabrication of
microfluidic sensor especially for the detection of glucose.
2. Experimental
GO was prepared via a modified Hummers method and it was reduced to graphene
nanosheets in two ways: solution containing hydrazine and PSS, forming GPSS, this
functionalization with the present nanosheets negative charge; and solution containing
hydrazine and PDDA, forming GPDDA with positive charge.
LbL films containing graphene nanosheets were deposited inside microchannels onto
interdigitated gold electrodes composing different sensors. Three different films were
deposited: PDDA-GPSS-GPDDA-Gox; PDDA-GPSS-GPDDA; and Mercapto-(PAH-GPSS)5.
Also measures electrical impedance uncoated electrode.The electrical measurements were
performed with an impedance analyzer Solartron model 1260A in the frequency range between
1 Hz and 1 MHz, using solutions of glucose, sucrose, NaCl (aqueous solution in buffer pH 6.3)
and buffer (pH 6.3).
The characterization of graphene nanosheets were performed by UV-Vis, XRD, SEM
and FTIR spectroscopy.
3. Results
GPSS
GPDDA
Absorbance
1.2
1.0
0.8
0.6
210
240
270
300
330
360
390
Wavelength
Figure 3.1: UV-vis spectroscopy of solutions of
graphene sheets.
Figure 3.3: 3D plot of glucose, sucrose, NaCl and
buffer versus different films.
Figure 3.2: PCA ploto f glucose, sucrose, NaCl and
buffer.
Figure 3.4: HCA plot, correlation between different
flavors.
4. Conclusions
According to the results, the sensors showed good distinction among samples having
the same taste, which we envisage to adapt futurelly as a glucose biosensor.
5. References
1. Wang, G. et al. Non-enzymatic electrochemical sensing of glucose. Microchim. Acta 180, 161–186 (2012).
2. Li, Y., Deng, C. & Yang, M. Facilely prepared composites of polyelectrolytes and graphene as the sensing
materials for the detection of very low humidity. Sens. Actuators B Chem. 194, 51–58 (2014).
3. deMello, A. J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems. Nature 442, 394–402
(2006).
Acknowledgments: Capes and FAPESP for financial support. And the LMCMat, LNNano
and Cristiane M. Daikuzono for technical support.
Viscoelasticidade em microcanais – Efeito da composição da
fase dispersa no processo de formação de gotas
D. R. B. Oliveira*, F. Y. Ushikubo, R. L. Cunha
Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas
Resumo
Emulsões foram produzidas utilizando óleo de soja e emulsificante PGPR como fase
contínua. Como fase dispersa foram utilizadas soluções de glicerol com concentrações entre
10 e 75 % e soluções de goma xantana com concentrações entre 0,05 e 0,50 %. Foram
variadas as vazões das fases em cada sistema, sendo que a razão entre essas vazões
influenciou diretamente no tamanho das gotas. Coeficientes de variação de até 6,0 % foram
obtidos quando utilizadas soluções de glicerol como fase dispersa, enquanto que quando
utilizadas soluções de goma xantana foram obtidas emulsões altamente polidispersas com
coeficiente de variação de até 35 %. O mecanismo de formação das gotas foi diferente para
os tipos de fluidos, sendo que as gotas não-Newtonianas foram geradas a partir de um regime
de jateamento. O tamanho do jato foi diretamente proporcional à razão entre as vazões das
fases e da concentração de goma xantana na fase dispersa.
Palavras-chaves: emulsões, microfluídica, viscoelasticidade, monodispersão.
Introdução
Nos últimos anos, microdispositivos têm despertado interesse para uso em processos
de emulsificação, por serem capazes de permitir a produção individual de gotas, conseguindose emulsões de baixa polidispersidade [1]. Além dos dispositivos utilizados e das condições
de processo, a viscosidade de cada uma das fases e a tensão interfacial entre os dois líquidos
são fatores fundamentais a serem levados em consideração nos processos de formação das
emulsões a partir dos dispositivos microfluídicos [2]. Assim, o estudo da fluidodinâmica do
processo é imprescindível para um entendimento do processo de formação de gotas com
reduzido tamanho e baixa polidispersidade.
Desta forma, este trabalho teve como objetivo estudar o método de emulsificação por
microcanais avaliando-se o efeito da razão entre as vazões das fases dispersa e contínua, e da
presença de fluidos viscoelásticos como fase dispersa no processo de formação das gotas.
Procedimento experimental
Microcanais com junção em Y foram projetados em AutoCAD 2012 (Autodesk, EUA)
e produzidos em polidimetilsiloxano (PDMS) pela técnica de litografia macia. Foram
estudados sistemas com a fase contínua formada por óleo de soja (Bunge Alimentos, Brasil)
adicionado de 5 % do emulsificante polirricinoleato de poliglicerol (PGPR) (Danisco,
Dinamarca) e como fase dispersa foram utilizadas 4 soluções de glicerol (Labsynth, Brasil)
em diferentes concentrações (10, 20, 40 e 75 % m/m) como modelos de fluidos Newtonianos,
e 4 soluções de goma xantana (Sigma-Aldrich, EUA) (0,05, 0,1, 0,25 e 0,5 % m/m) como
modelos de fluidos não-Newtonianos. As soluções de goma xantana foram submetidas a
ensaios de reologia extensional em reômetro HAAKE CaBER 1 (Thermo Scientific,
Alemanha). Todos os sistemas avaliados tiveram a vazão de entrada da fase dispersa no
microcanal (Φdisp) fixada em 1,0 µL/min, enquanto a vazão da fase contínua (Φcont) foi variada
⁄𝛷
de 1,0 a 4,0 µL/min, obtendo-se diferentes razões entre vazões (𝑞 = 𝛷
).
Resultados e discussão
As soluções de glicerol e de goma xantana apresentaram um intervalo de viscosidade
semelhante na taxa de deformação estimada no interior do microcanal (500 s-1). Em todos os
sistemas, o aumento de Φcont acarretou em diminuição do tamanho médio das gotas devido ao
fato de maiores vazões do óleo acarretar em um maior efeito de cisalhamento sobre a fase
dispersa, o que facilita o rompimento de menores gotas. A respeito dos fluidos Newtonianos,
em todas as condições estudadas foram obtidas gotas altamente monodispersas, com
coeficientes de variação (C.V.) menores que 6 %. Já quando utilizados os fluidos nãoNewtonianos, foram obtidos C.V. de até 35 %, indicando alta polidispersão. Esta diferença na
polidispersidade das gotas pode estar diretamente ligada à diferença no mecanismo de geração
das gotas com os dois tipos de fluidos. Enquanto as gotas Newtonianas foram formadas pelo
regime de gotejamento, as gotas não-Newtonianas foram geradas pelo regime de jateamento,
com um alongamento da corrente de fase dispersa e rompimento das gotas longe da junção. O
tamanho do jato foi diretamente proporcional à vazão da fase contínua e à concentração de
xantana na fase dispersa (Figura 1).
a)
b)
c)
Figura 1. Formação de gotas de fluidos não-Newtonianos em microcanal com junção em Y. a) Goma xantana
0,05% (m/m), q=1; b) goma xantana 0,25% (m/m), q=3; c) goma xantana 0,50% (m/m), q=3.
Este comportamento pode ser explicado pela resposta destes fluidos quando
submetidos a forças extensionais. De fato, os ensaios reológicos extensionais mostraram que o
tempo de quebra dos filamentos de goma xantana aumentou com a concentração. Além disso,
foi observado um aumento da viscosidade extensional com o aumento da deformação
extensional, o que pode ter conferido às soluções de xantana uma maior resistência ao
rompimento das gotas.
Conclusões
A emulsificação em dispositivos microfluídicos se mostrou uma técnica bastante
viável para a obtenção de emulsões altamente monodispersas quando utilizados fluidos
Newtonianos. A formação de gotas a partir de fluidos não-Newtonianos se deu de forma
completamente diferente aos fluidos newtonianos. A distribuição de tamanho das gotas foi
dependente da concentração de goma xantana na fase dispersa e da velocidade da fase
contínua oleosa. Dessa forma, pode-se concluir que ainda são necessários estudos mais
aprofundados para a produção de emulsões monodispersas a partir de fluidos nãoNewtonianos, principalmente em relação às propriedades elásticas e extensionais destes
fluidos.
Referências
[1] R.K. Shah et al., Materials Today 11, 18 (2008).
[2] Z. Nie et al., Microfluid Nanofluid 5, 585–594 (2008).
Agradecimentos
Agradecemos o apoio técnico do Professor Angelo Gobbi e da Maria Helena de
Oliveira Piazzeto e a infraestrutura do Laboratório de Microfabricação do Centro Nacional de
Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Também gostaríamos de agradecer ao apoio
financeiro da FAPESP e do CNPQ.
*contato: [email protected]
Avaliação de um Sistema a laser de CO2 para produção em batelada de dispositivos
eletroforéticos
Ellen Flávia Moreira Gabriel1, Wendell Karlos Tomazelli Coltro1 e Carlos D. Garcia2
1
2
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brazil.
Department of Chemistry, The University of Texas at San Antonio, San Antonio, USA.
O potencial de uma sistema a laser de CO2 foi extensivamente investigado para a produção de
microcanais em substrato de polimetilmetacrilato (PMMA). Primeiramente, canais únicos foram fabricados no
intuito de avaliar os efeitos dos paramêtros operacionais do laser, tais como: potência, velocidade, frequência,
resoluçao e número de passos, sob as dimensões (largura e profundidade) dos microcanais. Tendo as condições
otimizadas, dispositivos eletroforéticos foram então fabricados e integrados ao sistema de detecção
amperométrico. No intuito de reduzir bolhas formadas ao final do canal de separação e minizar os ruídos típicos
decorrentes do sistema end-channel da detecção amperométrica, uma esponja de polidimetilsiloxano (PDMS) foi
avaliada para funcionar como um desacoplador. O desempenho do novo sistema eletroforético foi avaliado na
separação de diferentes compostos fenólicos.
Palavras-chaves: Laser de CO2, Microchips de PMMA, Detecção Amperométrica.
Introdução
Comparado com a instrumentação de bancada convencional, os microchips possuem
caractéristicas vantajosas, incluindo um grande potencial para a portabilidade, redução do
tempo de análise e produção relativamente barata, o que os coloca na vanguarda da química
análitica moderna [1]. São inúmeras as aplicabilidades desses microchips, mas sem dúvidas a
área de separações eletroforéticas é onde existe os principais avanços na microfluídica.Vários
são os matériais e as técnicas empregados para produzir estes microchips eletroforéticos, no
entanto, muitas vezes os processos de fabricação envolvem instrumentação específica e
procedimentos complicados. Afim de resolver algumas das desvantagens relacionados a
sistemas de fabricação, principalmente dos materiais poliméricos, neste trabalho exploramos a
possibilidade da utilização de um sistema de gravação a laser de CO2 para produção de
microcanais em substrato de PMMA.
Procedimento Experimental
Os microcanais em PMMA foram fabricados utilizando um sistema a laser comercial
(Mini 24, 30W, Epilog Laser Systems, Golden, Co, USA). Como caractéristica, este
equipamento possui 1200 dpi de resolução, comprimento de onda de 10,6 µm e velocidade
linear máxima de 1650 mm.s-1. Primeiramente, os parâmetros operacionais do sistema a laser
foram avaliados no intuito de obter canais com as menores dimensões possíveis. Potência,
velocidade, frequência, resolução e número de passos foram avaliados univariadamente. Com
as condições otimizadas, foram fabricados microchips para separação eletroforética. Os
microdispositivos possuem um arranjo de canais de injeção e separação na configuração de
duplo-T. Ao final do canal de separação um canal perpendicular foi produzido para o
posicionamento do eletrodo de trabalho. Além disso, um reservatório auxiliar, posicionado a
200 µm do canal do eletrodo, foi fabricado e preenchido uma esponja de PDMS [2] para
funcionar como um desacoplador. O desacoplador possui um arranjo similar ao descrito por
Lunte e colaboradores [3] e foi utilizado no intuito de minimizar a formação de bolhas no canal
de separação e reduzir o ruído na etapa de detecção.
Resultados e discussões
A potência e a velocidade do feixe de laser de CO2 são os dois paramêtros que mais
afetaram as dimensões dos microcanais. Canais mais rasos e mais estreitos foram obtidos
quando a velocidade e a potência do laser foram definadas em 100% (1650 mm.s-1) e 10% (3
W) respectivamente. A potência de 3 W, resultou em canais de 82 ± 2µm de profundidade e
90 ± 4µm de largura e com velocidade de 1650 mm.s-1 canais de 79 ± 1µm x 78 ± 1µm pode
ser obtidos. O número de passos, ou as várias incidências do laser em uma mesma região foi
outro fator que afetou as dimensões dos canais. A largura e a profundidade do canal aumentou
de 78 ± 1µm para 115 ± 1µm e de 84 ± 1µm para 282 ± 1µm, respectivamente. Paramêtros
como frequência e resolução não afetaram significativamente nas dimensões dos microcanais.
O desempenho analítico dos dispositivos de PMMA fabricados com o laser de CO2 nas
condições otimizadas de velocidade, potência, frequência e resolução foi avaliado na separação
de diferentes compostos fenólicos com concentração de 100 µM cada. O tempo de migração de
dopamina, 2-aminofenol e catecol foram de 60, 103 e 150 s, respectivamente. O uso do
desacoplador assegurou uma boa separação e preveniu principalmente a formação de bolhas na
superfície do eletrodo. A Figura 1 evidência desacoplador proposto ao final do canal de
separação e o eletroferograma obtido dos compostos em questão.
10
(B)
Corrente (nA)
8
(A)
Dopamina
2-aminofenol
6
Catecol
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
Figura 1- (A) Posicionamento do eletrodo de trabalho para detecção amperométrica. Em D
desacoplador e W reservatório descarte do tampão. (B) Separação eletroforética de
dopamina, 2-aminofenol e catecol (100 µM cada)
Conclusões
Em resumo, a potência e a velocidade do laser são os dois paramêtros mais importantes
que afetam as dimensões do canais. As canais mais rasos e mais estreitos foram obtidos com
velocidade de 1650 mm.s-1 e potência de 3 W. Além disso, o número de passos do laser também
afetou significativamente as dimensões dos canais. O dispositivo eletroforético acoplado ao
sistema de detecção amperométrico apresentou um bom desempenho analítico, no qual os três
analitos foram separados em menos de 200 s.
Referências
[1] E.F.M. Gabriel et al., Electrophoresis, DOI:
[2] S. Choi et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 3, 4552 (2012).
[3] D.M. Osbourn et al., Anal. Chem. 75, 2710 (2003)
[email protected]
Agradecimentos
CNPq, University of Texas at San Antonio, INCTBio, IQ-UFG.
Desenvolvimento de um sistema eletroforético híbrido acoplado
com detecção eletroquímica para aplicações analíticas
Eulício de Oliveira Lobo Junior*, Roger Cardoso Moreira, Anderson Almeida Dias, Lucas da
Costa Duarte, Gerson Francisco Duarte Júnior, Wendell Karlos Tomazelli Coltro.
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil
Resumo
Este estudo visa o desenvolvimento de um sistema eletroforético híbrido, que dispensa etapas
laboriosas de microfabricação e que utiliza capilares comerciais de sílica interconectados por uma interface
comercial. O sistema foi acoplado a dois detectores eletroquímicos isolados, um detector amperométrico e um
condutométrico sem contato. Foi possível realizar a detecção de cátions inorgânicos e de dipirona sódica com
este sistema..
Palavras-chave: eletroforese capilar, detecção eletroquímica, microfluídica
Introdução
Sistemas eletroforéticos em microescala para análises químicas vêm se tornando
objeto de intenso estudo em diversas áreas da ciência, devido a uma série de vantagens, como
baixo consumo de amostras e reagentes, portabilidade entre outros [1,2]. A detecção
eletroquímica tem sido amplamente empregada em microssistemas devido apresentar um
menor custo e facilidade de acoplamento quando comparada à espectrometria de massas e
detecção óptica, uma vez que os eletrodos e os microssistemas podem ser fabricados em uma
única etapa [3]. Desta forma, este estudo avalia um microdispositivo que utiliza tubos
capilares comercias como microcanais para realização de separações eletroforéticas, para
quantificação de analitos de interesse em amostras reais. O microssistema híbrido descrito
pode ser acoplado com diferentes modalidades de detecção. Neste estudo foi utilizado um
detector condutométrico sem contato (C4D), e um detector amperométrico.
Procedimento experimental
O microssistema híbrido é montado utilizando uma conexão para capilares (Ultem ®
Cross C360-204, Labsmith; Livermore, CA). Esta conexão permite a montagem do sistema
capilar com a configuração de cruz, conforme Figura 1. Os capilares utilizados apresentam
dâmetro interno de 50 µm e externo de 360 µm, com recobrimento externo de poliimida.
Detector
Móvel
A
B
Figura 1. Representações da (A) intersecção comercial para capilares e (B) do (B) dispositivo montado.
Os sistemas de detecção C4D utilizados foram Open C4D [1], que apresenta material
disponível para download gratuito (https://sites.google.com/site/openc4d/home), e um
Bipotenciostato comercial Dropsens para realização da detecção amperométrica. Ambos os
sistemas de detecção são de fácil acoplamento ao sistema capilar. Um ponto importante, é que
o sistema de detecção C4D apresenta acoplamento móvel, permitindo o estudo da separação
dos analitos em diferentes pontos do capilar.
Resultados e discussão
Foi realizada a análise de uma amostra padrão contendo K+ , Na+ e Li+ (500 µmol L-1
cada), utilizando o método detecção C4D e como eletrólito uma solução constituída de
MES/Histidina 20 mM, pH 6,1, sob aplicação de um potencial de 2,0 kV (285 V/cm),
apresentado na Figura 2A. A detecção C4D foi realizada com aplicação de uma onda senoidal
de frequência 400 kHz e amplitude de 8 Vpp. Utilizando detecção amperométrica foi
realizada a análise de uma amostra real do medicamento Magnopyrol®, que foi diluído para
conter 2 mmol L-1 de Dipirona sódica, utilizando um tampão de ácido acético pH 4,7 como
eletrólito. Foram feitas oito injeções sucessivas e os eletroferogramas são mostrados na
Figura 2B[4]. Na sétima e oitava injeções não é perceptível o pico da dipirona, e os motivos
são alvo de estudo.
A)
K
B)
+
Intensidade (ua)
1
1 A
a
+
+
Li
90
120
150
180
2
Corrente
Na
210
240
a
3
a
a
4
a
5
a
6
0
120
240
360
Tempo (s)
Tempo (s)
Figura 2. Eletroferogramas obtidos com o microssistema capilar. Em (A) é mostrada a separação de uma
mistura equimolar de K+ , Na+ e Li+ e em (B) injeções sucessivas de medicamento contendo dipirona 2
mmol L-1.
Conclusões
O dispositivo híbrido apresenta potencial para separação e determinação de analitos
orgânicos e inorgânicos em amostras reais e clínicas. Suas aplicações podem ser diversas, e
seus parâmetros operacionais podem ser estudados visando otimizar as condições
experimentais para melhor utilização do sistema híbrido envolvendo inúmeras aplicações.
Referências
[1] K. J. M. Francisco e C. L. do Lago, Electrophoresis, 30, 3458 (2009).
[2] T. P. Segato, Anal Methods, 5 1652 (2013).
[3] F. Matysik, Microchim. Acta, 160, 1 (2008)
[4]W. T. P. d. Santos, Desenvolvimento de Metodologias de Análises em Fluxo com Detecção
Amperométrica de Múltiplos Pulsos, Universidade Federal de Uberlândia, 2009, pp. 126.
e-mail: [email protected]
Agradecimentos
CNPq, FAPEG, INCTBio
Desenvolvimento de eletrodo modificado com
óxido/hidróxido de níquel para a determinação de etanol.
Gabriela F. Giordano, Renato S. Lima, Angelo L. Gobbi, Lauro T. Kubota.
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo desenvolver um dispositivo eletroquímico capaz de detectar e
quantificar etanol. A superfície de um eletrodo de níquel foi modificada quimicamente por oxidação em solução
de (NH4)2S2O8 e NaOH. As condições ideais de temperatura e tempo para esse tratamento foram 60 ºC e 3
horas, respectivamente. Após isso, o eletrodo foi levado em estufa a 150 ºC por 1 hora. Os resultados
mostraram que este procedimento foi capaz de gerar as espécies óxido/hidróxido de níquel na superfície do
eletrodo. Este dispositivo foi aplicado na análise de soluções de etanol (0 a 125 mmol L-1) através da técnica de
voltametria cíclica. Observou-se um aumento na corrente anódica com a concentração do analito em potencial
de 600 mV, o que gerou uma curva analítica com valores de sensibilidade analítica, limite de linearidade e
limite de detecção iguais a 0,688 µA L mmol-1, 50,0 e 0,67 mmol L-1, respectivamente.
Palavras-chave: óxido/hidróxido de níquel, oxidação eletrocatalítica, etanol.
INTRODUÇÃO
O biocombustível mais produzido no mundo é o etanol, com cerca de 90 bilhões de
litros produzidos em 2013. A etapa determinante desta produção é a fermentação alcoólica,
pois muitos são os fatores que dificultam ou inibem a ação das leveduras como concentrações
de etanol acima de 12% v/v. Assim, o monitoramento do teor alcoólico é importante para a
detecção e correção de inconformidades, alem de garantir maiores rendimentos de produção.1
Os métodos comumente utilizados para a determinação de etanol são a picnometria e a
cromatografia gasosa. O primeiro requer a destilação prévia da amostra, ao passo que o
segundo apresenta custos de aquisição e operação elevados. Desse modo, uma alternativa
potencial consiste no desenvolvimento de sensores e detectores eletroquímicos devido à sua
simplicidade e sensibilidade satisfatórias, facilidade de miniaturização e portabilidade. Dentre
os sistemas eletroquímicos que se destacam para esta aplicação está o uso de óxidos metálicos
na modificação de eletrodos, como as espécies de óxido/hidróxido de níquel que apresentam
baixo custo e alta atividade catalítica na oxidação de etanol2,3. Este trabalho teve como
objetivo principal a modificação de eletrodos de níquel com a finalidade de gerar óxidos desse
metal e, assim, aumentar a sensibilidade do método mediante ações catalíticas superficiais na
oxidação do etanol.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os dispositivos foram construídos pela inserção de um fio de níquel com diâmetro de
1,0 mm em um tubo de teflon. Esses foram polidos em lixa d’água padrão 1200 e pasta de
diamante com granulometria de 1,0 µm, respectivamente, até obter-se uma superfície
espelhada. A limpeza foi finalizada com dois banhos em ultrassom, um em etanol anidro e o
outro em água deionizada, ambos durante 10 minutos. A etapa de modificação consistiu em
uma oxidação química realizada em solução de (NH4)2S2O8 e NaOH nas concentrações de 2,5
e 1,0 mol L-1, respectivamente. Condições de temperatura da solução no intervalo de 25 a 60
°C, tempos de imersão entre 10 minutos e 3 horas e agitação foram avaliadas. Posteriormente,
o dispositivo foi deixado em estufa a 150 ºC durante 1 hora. Por fim, o mesmo foi imerso em
solução de NaOH 100,0 mmol L-1 por 15 minutos. Efetuou-se, em seguida, 5 ciclos de
voltametria cíclica no intervalo de potencial de 100 a 650 mV com velocidade de varredura de
50 mV s-1. Utilizou-se eletrodo de referência de Ag/AgCl e auxiliar de fio de platina. Análises
a soluções padrão de etanol no intervalo de 5 a 125,0 mmol L-1 (preparadas em NaOH) foram
realizadas em triplicata.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As condições de temperatura e tempo adotadas para a modificação foram de 60 °C e 3
horas, respectivamente, pois, foi a que resultou em um eletrodo com menor desvio padrão
relativo (5,0%) considerando três análises em NaOH 100,0 mmol L-1, mostrando maior
estabilidade da estrutura formada. A Figura 1.A apresenta os voltamogramas cíclicos obtidos
para as análises em soluções de etanol. Observa-se que houve um aumento da corrente
anódica e uma diminuição da corrente catódica com a concentração de etanol, comportamento
típico da eletrocatálise mediada pelas espécies Ni(OH)2/NiOOH formadas na superfície do
eletrodo.
As correntes medidas nos voltamogramas em potencial de 600 mV foram relacionados
com as concentrações de etanol de acordo com a curva analítica apresentada na Figura 1.B. A
sensibilidade analítica obtida a partir da curva foi de 0,688 µA L mmol-1, o intervalo linear foi
de 5,0 a 50,0 mmol L-1 e o limite de detecção de 0,67 mmol L-1. Testes de repetibilidade, intra
e interdispositivos, foram realizados a uma solução padrão de etanol 50,0 mmol L-1 (n = 3) em
quatro eletrodos diferentes. Os coeficientes de variação obtidos foram de apenas 6,3 e 11,9%,
respectivamente.
70
I / µA
80
40
0,0
0
Sinal Analítico / µA
120
80
125,0 mM
A
B
60
50
40
30
20
10
0
-40
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
E / V vs. Ag/AgCl
0,7
0
20
40
60
80
100
120
140
[Etanol] / mmol L-1
Figura 1. A. Voltamogramas cíclicos obtidos para a análise de soluções de etanol no intervalo de 0,0 a 125,0
mmol L-1. B. Curva analítica para a determinação de etanol.
CONCLUSÃO
Os resultados apresentados mostraram que o método empregado na modificação de
eletrodo de níquel foi capaz de gerar as espécies Ni(OH)2/NiOOH de maneira estável, as quais
foram responsáveis por catalisar a oxidação de etanol. Com este eletrodo foi possível obter
uma curva analítica para a determinação deste analito com maior sensibilidade e
detectabilidade em comparação com eletrodo de níquel liso.
REFERÊNCIAS
1
S. Piermarini; G. Volpe; M. Esti; M. Simonetti; G. Palleschi, Food Chemistry, 127, 749, (2011).
L.-P. Jia; H.-S. Wang, Sensors and Actuators B – Chemical, 177, 1035, (2013).
3
K. E. Toghill, L. Xiao, N. R. Stradiotto, R. G. Compton, Electroanalysis, 22, 491, (2010).
2
AGRADECIMENTO
Ao LNNano pelo auxílio financeiro.
[email protected]
Avaliação de soluções iônicas como eletrodos para
detecção condutométrica sem contato em microchips
de eletroforese
Gerson Francisco Duarte Junior1, José Alberto Fracassi da Silva2, Claudimir Lúcio do
Lago3, Emanuel Carrilho4 e Wendell Karlos Tomazelli Coltro1
1
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil
Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil
3
Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil
4
Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP, Brasil
2
Resumo
Este trabalho descreve a avaliação de diferentes soluções iônicas para atuarem como eletrodos para
detecção condutométrica sem contato em microssistemas eletroforéticos. Foram avaliadas diferentes
soluções iônicas onde a solução de KCl na concentração de 2 mol L-1 apresentou melhores resultados em
termos de intensidade do sinal para detecção do íon K+ na concentração de 500 µmol L-1.
Palavras-chave: detecção condutométrica sem contato, eletrodos iônicos, microfluídica.
Introdução
A detecção condutométrica sem contato capacitivamente acoplada (C4D) tem se
destacado frente as modalidades de detecção eletroquímica acopladas em
microssistemas eletroforéticos (MSE). Uma das principais vantagens está relacionada
com o fato dos eletrodos serem externamente acoplados ao canal microfluídico,
eliminando assim alguns problemas como formação de bolhas devido à eletrólise e
degradação dos eletrodos [1]. Adicionalmente, a fabricação e acoplamento de eletrodos
é facilitada, uma vez que estes podem ser fabricados pelas mesmas tecnologias
utilizadas para fabricação dos MSE possibilitando a fabricação de sistemas integrados
[2]. Eletrodos para C4D têm sido confeccionados principalmente utilizando metais,
como ouro, cobre, platina entre outros [3]. Neste trabalho propõe-se o uso de soluções
iônicas para atuarem como eletrodos em microssistemas eletroforéticos, bem como a
avaliação de diferentes tipos de soluções com potencial para serem utilizadas como
eletrodos.
Procedimento Experimental
Canais para eletrodos com 1 mm de largura e profundidade foram gravados em
baixo relevo em poli(metilmetacrilato), PMMA, com uma gravadora a laser de CO2.
Estes canais foram selados com fita adesiva e ao final destes foram colados
reservatórios cilíndricos para armazenamento de solução. Os canais foram preenchidos
com soluções iônicas que atuam como eletrodos. O MSE confeccionado em poli(dimetil
siloxano), PDMS, pelo método de litografia suave foi selado reversivelmente sobre o
substrato polimérico contendo os canais para os eletrodos de detecção. O contato
elétrico dos eletrodos com o sistema eletrônico do detector foi feito através de eletrodos
de platina submersos nos reservatórios. Foi utilizado um detector homemade baseado na
eletrônica proposta por Francisco e do Lago [4].
2500
2000
1500
1000
500
0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
-1
concentração (mol L )
4,0
3000
3698000
sinal do detector (U. A.)
3000
intensidade do sinal (U. A.)
intensidade do sinal (U. A)
Resultados e Discussão
Para os testes preliminares foi escolhida solução de KCl para atuar como
eletrodo. O efeito da concentração da solução de KCl foi avaliado na detecção do íon K+
500 µmol L-1. Para essa finalidade, a concentração do eletrodo de KCl foi variada de 1 a
4 mol L-1. A maior intensidade do sinal foi obtida quando utilizada a concentração de
2 mol L-1 (Fig. 1A), uma vez que para concentrações maiores a resposta analítica é
limitada pela resistência da solução eletrolítica contida no canal eletroforético e,
consequentemente, pela impedância do sistema. Além de KCl, soluções de NaCl e LiCl,
foram avaliadas como potenciais eletrodos. A Figura 1B mostra a intensidade do sinal
para os diferentes eletrodos na concentração de 2 mol L-1 cada. A maior intensidade do
sinal foi obtida quando utilizada a solução de KCl, devido esta apresentar a maior
condutividade. Já para as soluções de NaCl e LiCl a diferença entre as intensidades não
foi significativa. Com os parâmetros operacionais otimizados (KCl 2 mol L-1), o
eletrodo proposto foi utilizado para monitorar separação eletroforética de uma mistura
equimolar de K+, Na+ e Li+ (500 µmol L-1). O eletroferograma obtido está representado
na Figura 1C.
2500
2000
1500
1000
500
0
KCl
NaCl
eletrólito
LiCl
3696000
C
K+Na+
Li+
3694000
3692000
3690000
3688000
3686000
450
475
500
525
550
tempo (s)
Figura 1 – Representação da intensidade do sinal para o íon K+ (500 µmol L-1). Em (A) variação da
concentração da solução de KCl. Em (B) para os eletrólitos KCl, NaCl e LiCl na concentração de
2 mol L-1 cada e (C) eletroferograma ilustrando a separação de uma mistura equimolar de K +, Na+ e Li+
(500 µmol L-1). Condições experimentais: tampão MES/His 20 mmol L-1, pH = 6,1, frequência =
400 kHz, amplitude = 1,0 Vpp, injeção: 0,8 kV, separação: 1 kV.
Conclusão
O uso de soluções iônicas como eletrodos apresenta simplicidade instrumental
bem como versatilidade na escolha da composição do eletrodo. Entre as soluções
avaliadas como potenciais eletrodos a solução de KCl na concentração de 2 mol L-1
apresentou uma melhor resposta em temos de intensidade do sinal. As próximas etapas
estarão voltadas a um estudo sistemático de soluções que apresentem uma maior
condutividade quando comparada ao KCl e também ao uso de líquidos iônicos.
Referências
[1] B. Liu et al, Microchim Acta 172, 193 (2011)
[2] A. J. Gaudry, M. C. Breadmore e R. M. Guijt, Electrophoresis, 34 2980 (2013)
[3] Coltro et al, Anal Methods, 4, 25 (2012)
[4] K. J. M. Francisco e C. L. do Lago, Electrophoresis 30, 3458 (2009).
e-mail: [email protected]
Agradecimentos
CAPES, FAPEG, INCTBio e CNPq.
Particle handling in microfludics devices using acoustic radiation
force
Glauber T. Silva
Physical Acoustics Group, Instituto de Física, Universidade Federal de Alagoas, 57072-900, MaceióAL, Brasil.
Abstract
In this work, we discuss how acoustic radiation force exerted by an ultrasound standing wave (in the
MHz-range) can be employed to manipulate, trap, or even rotate particles suspended in a microfluidic
device. Theoretical aspects of acoustic radiation force acting on a particle, with diameter smaller than
50 microns, in a microfluidic resonant chamber filled with a viscous fluid in presented. Moreover, the
interaction radiation force between suspended particles is described by a theoretical model for particles
much smaller than the wavelength. This model is applied to study the behavior of an oil-in-water
emulsion under the influence of the ultrasound standing wave. The results show that concentric
separation pattern is formed on the transverse plane to the wave propagation direction. Finally, the
challenges in modeling actual microfluidics devices are outlined.
Keywords:Microparticle handling, Acoustic radiation force, Emulsion.
Introduction
Acoustic radiation force caused by ultrasound standing waves is becoming a reliable method for
microparticle handling inside lab-on-a-chip devices [1]. In Fig. 1, we depict a lab-on-a-chip resonant
chamber filled with a liquid and a collection of
suspended microparticles. To develop or enhance
microfluidics devices for microparticle handling
through the acoustic radiation force, we have to
model the whole system including wall
vibrations and geometry, particle-to-particle
interactions (radiation and hydrodynamic forces),
and thermoviscous effects. Having a model to
account for all these effects is a formidable task.
It is expected that such problem can only be
solved through computational simulations. Here,
we outline several aspects of modeling
acoustofluidic
devices,
which
handle
microparticles, with emphasis on the acoustic Figure 1: The sketch of a lab-on-a-chip resonant
radiation force problem [2]. In particular, we chamber with suspended microparticles. The
investigate the interacton radiation force between piezoelectric transducer generates the ultrasound
a collection of suspended particles in an inviscid standing wave.
fluid. The acoustic radiation force exerted on a microparticle with radius much smaller than the
incident wavelength is referred to as the primary radiation force. For a fluid medium having two or
more suspended particles under the inuence of an external acoustic wave, a secondary radiation force
arises. This force, referred to as the interaction radiation force, is caused by the particle-to-particle
interaction through the scattered waves in the medium. The developed theory on interaction radiation
force is applied to an oil-in-water emulsion. The results show that transverse concentric pattern is
formed, which enables the possibility of oil droplet separation in emulsions of this kind.
Physical model
Based on the partial-wave expansion method [3], we can calculate the radiation force on particles
suspended in a fluid. The radiation force exerted on a probe particle placed at rp due to an external
wave and also the interaction of other suspended particles located at rs (s = 1, 2, ..., N – 1), is given by
Frad(rp) = Fext(rp) + Fint(rp|S),
(1)
where Fext(rp) is the radiation force caused directly by the external standing wave and Fint(rp|S) is the
interaction radiation force between the probe and all other suspended particles in a specific spatial
configuration denoted by S.
Results and discussion
In Fig. 5, we show the interaction potential energy and its
associated radiation force (represented by arrows) on a
probe oil microdroplet suspended in an oil-in-water
emulsion confined in a circular region of radius R = 5
mm. The energy potential has concentric local maxima
and minima, with the global maximum localized at
(kx,ky) = (0,0), where k is the wavenumber. Hence,
microdroplets have the tendency to move away from the
central region. On the other hand, the potential minima
will attract the nearby oil microdroplets. Therefore,
microdroplets may aggregate in the minima concentric
regions throughout the emulsion. Note that the distance
between to consecutive minima is about 10% of the
incident wavelength. Furthermore, the magnitude of the
interaction radiation force is less than 0.02 nN.
Figure 2: The potential energy of the
interaction radiation force (represented
by arrows) in a 2D oil-in-water emulsion
exposed to an external plane standing
wave. The emulsion lies within a circular
region of radius R = 5 mm at the nodal
plane.
Conclusions
Theoretical aspects of modeling acoustofluidics devices
have been discussed with emphasis to the acoustic
radiation force exerted on suspended particles by an
ultrasound standing wave. The discussion presented here might be important in the development of labon-a-chip particle handling devices based on ultrasound waves.
Acknowledgments
This work was partially supported by grant BEX-17997/12-7 (CAPES Foundation).
References
[1] H. Bruus et al, Lab. Chip 11 3579 (2011).
[2] H. Bruus, Lab. Chip 12 1014 (2012).
[3] G. T. Silva, J. Acoust. Soc. Am. 130 3541 (2011).
MICROTUBULOS DE POLIPIRROL PARA
APLICAÇÃO COMO SENSORES EM DISPOSITIVOS
MICROFLUIDICOS
Jacqueline Arguello, Stéfano R. Marquetto, Clarisse M. S. Piatnicki
Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil
Resumo
O pirrol pode ser eletroquimicamente polimerizado na superfície de diferentes substratos condutores.
O potencial aplicado assim como o meio utilizado na eletropolimerização influenciam fortemente a morfologia
do polímero. Neste trabalho, polipirrol na forma de microtubulos foi sintetizado eletroquimicamente, essas
estruturas serão testadas como sensores em dispositivos microfluídicos.
Palavras-Chave: Polipirrol, eletropolimerização, microtubulos
Introdução
As propriedades condutoras do polipirrol (PPy) foram descritas pela primeira vez nos
anos 60, mas é nos últimos anos que ele tem despertado maior interesse devido as diversas
aplicações decorrentes das suas propriedades ópticas, mecânicas e elétricas [1]. A sua
biocompatibilidade, baixo custo e facilidade de polimerização são algumas das qualidades
que o torna um bom candidato para varias aplicações tais como dispositivos eletrônicos,
dispositivos optoeletrônicos, atuadores, transistores e sensores químicos. PPy pode ser
polimerizado na superfície de diferentes substratos, cujas estruturas são dependentes das
variáveis experimentais [2]. Além disso, a capacidade de incorporar catalizadores e enzimas
durante ou após a polimerização o tornam atrativo no desenvolvimento de sensores e
biossensores.
Parte Experimental
O pirrol foi eletropolimerizado sobre placas de aço em diferentes meios e condições
seguindo alguns procedimentos descritos na literatura [3]. Os experimentos foram levados a
cabo utilizando um potenciostato da marca Autolab e celas com três eletrodos (Ag/AgCl
(KCl, 3 mol/L) como referencia e platina como contra-eletrodo. Resultados mais promissores
ocorreram em solução contendo KClO4 0,1 mol/L, e concentrações iguais de pirrol e o ácido
2-naftaleno-sulfônico (2-NSA).
Resultados e discussão
A polimerização foi realizada aplicando um potencial constante por alguns segundos
na solução contendo pirrol, 2-NSA e KClO4. Foi constatada a formação de microtubulos de
diferentes comprimentos na superfície do eletrodo como representado na Fig. 1. A formação
de estruturas na forma de pequenos vasos e vasilhas foi previamente reportada na literatura
[3]. Segundo os autores, bolhas de hidrogênio geradas no contra-eletrodo muito próximo do
eletrodo de trabalho estariam servindo de template durante a polimerização. Novos
experimentos estão sendo conduzidos com o intuito de obter maior uniformidade nos
comprimentos dos tubos.
Fig. 1. Imagem de microscopia eletrônica de varredura.
Conclusão
De momento só podemos concluir que as estruturas geradas têm potencial de
aplicação seja no desenvolvimento de sensores como na sua utilização como canais que
possam ser controlados eletroquimicamente.
Referências
[1] Handbook of Polymer Synthesis, Characterization, and Processing. Enrique SaldivarGuerra, Eduardo Vivaldo-Lima, John Wiley & Sons (2013).
[2] W. S. Choi, T. An, G. Lim. Fabrication of Conducting Polymer Nanowires, Nanowires Implementations and Applications, Dr. Abbass Hashim (Ed.), ISBN: 978-953-307-318-7,
InTech, (2011).
[3] L. Qu, G. Shi, J. Yuan, G. Huan, F. Chen, J. Electroanal. Chem. 561, 149 (2004).
Agradecimentos
Os autores agradecem pela Bolsa IC e o apoio emergencial a pesquisa a Propesq-UFRGS, ao
CNPQ (Processo: 550441/2012-3) e ao INCTBio.
[email protected]
Avaliação de um método alternativo para a confecção de
microdispositivos em vidro
Richard P. S. de Campos; Inez V. P. Yoshida; José A. F. da Silva
Resumo
Microdispositivos em vidro são normalmente confeccionados a partir de processos fotolitográficos
convencionais, que envolvem etapas de deposição de filmes metálicos e fotorresistes sobre o vidro, exposição à
radiação UV para reticulação e formação do padrão dos microcanais, com posterior corrosão da camada
metálica e do substrato. Por este motivo, dipositivos neste substrato são de difícil produção na maioria dos
laboratórios de pesquisa. Neste trabalho, um método alternativo para a confecção de microcanais e porterior
selagem de dispositivos em vidro (mais apropriado a laboratórios de pesquisa com menos recursos) foi proposto
e avaliado.
Palavras-chave: microdispositivos, selagem, microcanais
1. Introdução
Uma das áreas de maior crescimento nos últimos anos na Química Analítica é o
desenvolvimento de micro sistemas de análise total (µTAS), cujo objetivo é a integração de
várias etapas analíticas em um único dispositivo micrométrico e seu desenvolvimento tem
encontrado aplicações nos mais diferentes campos da ciência1. A utilização destes sistemas
microfluídicos torna-se especialmente vantajosa quando o analito de interesse é de difícil
manipulação ou está presente em pequenas quantidades. Sistemas de análise celular, por
exemplo, podem ser altamente beneficiados pela grande possibilidade de automação oferecida
pelos μTAS. Além disso, os micro dispositivos podem reduzir o custo e minimizar a diluição
pós-lise para análise do conteúdo intracelular em análises de tempo reduzido. Outra
característica interessante dos µTAS é que têm possibilitado novas abordagens em termo de
portabilidade, como as observadas no desenvolvimento de dipositivos point-of-care (POC).
Sendo assim, a escolha do substrato para a confecção e o processo de fabricação dos
microdispositos é de suma importância para a implantação de métodos simples e baratos de
microfabricação que possam ser potencialmente escalonados para a comercialização destes
µTAS. Os dispositivos de vidro, por exemplo, oferecem a vantagem de serem reutilizáveis,
serem opticamente transparentes e possuirem uma superfície hidrofílica compatível com a
análise de amostras aquosas. Entretanto, o processo de microfabricação para este substrato
tende a ser laborioso, com a necessidade de utilização de protocolos fotolitográficos em sala
limpa para confecção dos canais, além de exigirem um controle de temperatura bem definido
no processo de selagem do dispositivo. Deste modo, o presente trabalho foi realizado no
intuito de avaliar alternativas simples para a confecção de canais e selagem de substratos de
vidro, para posteriores aplicações em análise celular e separações eletroforéticas.
2. Procedimento Experimental
O processo de microfabricação em vidro deve, em primeira instância, conter um protocolo
para corrosão do substrato utilizando ácido fluorídico. Neste trabalho, lâminas plastificantes
comerciais (Plastseal®) foram utilziadas para proteção da superfície do vidro, com excessão
da região dos microcanais. O desenho com o formato dos canais foi previamente impresso
sobre a folha de plastificante utilizando laser de CO2 (Gravograph, L-Solution 100,
velocidade 60%, potência 15 ou 20%) e este aplicado sobre o substrato de vidro utilizando
uma laminadora. O substrato foi corroído utilizando-se solução de 25% v/v de HF, e a
qualidade dos canais em função da potência do laser e do tempo de corrosão foi avaliada.
A selagem das lâminas de vidro foi realizada pela funcionalização da base de vidro do
dispositivo após imersão do substrato em solução de poli(metilhidrogenossiloxano) em
hexano, na presença de ácido sulfúrico PA, por duas horas. Após lavada, esta lâmina foi posta
em contato o substrato de vidro contendo microcanais, e o conjunto foi mantido a cerca de
100 ºC por 8 horas. Deste modo, foram obtidos dispositivos de vidro selados
irreversivelmente. A confecção dos reservatórios foi realizada utilizando-se broca Dremel®
de 3 mm.
3. Resultados e Discussão
Os resultados do estudo da taxa de corrosão do vidro em solução 25% de HF obtidos
revelaram corrosão média de 8,2 ± 0,1 µm/min, e o tempo de corrosão escolhido para a
confecção dos canais microfluídicos neste trabalho foi de 2 minutos. Os parâmetros de
potência do laser para confecção dos padrões dos canais microfluídicos na lâmina
plastificante demonstraram melhores resultados para potência de 20% a 60% de velocidade. A
valores menores de potência (15%), canais de menor espessura podem ser criados. Entretanto,
ao submeter o plastificante ao processo de laminação necessário para proteção do substrato de
vidro, regiões de estragulamento ocorrem devido à exposição do polímero à alta temperatura.
O perfil obtido dos canais com velocidade 60% e potência 20% foi satisfatório para as
análises de proof-of-concept deste trabalho.
O processo de selagem foi analisado via ATR-FTIR. Os espectros antes e após
funcionalização indicam a formação de uma fina camada de poli(metilhidrogenossiloxano)
sobre a superfície do substrato de vidro. Esta camada, contendo grupos Si-H, reage com os
grupos Si-OH presentes na superfície do outro substrato de vidro, contendo os canais
microfluídicos, e provoca a selagem irreversível.
4. Conclusões
Os resultados obtidos neste trabalho demonstram uma maneira simples e promissora para
a confecção de dispositvos microfluídicos em vidro e que, sem a necessidade de processos
fotolitográficos, foi capaz de possibilitar a confecção de microcanais. O processo de selagem
depende diretamente da homogeneidade da camada de poli(metilhidrogenossiloxano)
depositada sobre uma das lâminas de vidro e pôde ser realizado. Entretanto, melhorias nessa
etapa do processo devem ser alcançadas, pois alguns dispositivos apresentaram vazamentos
em regiões próximas ao canal devido à má selagem proveniente de uma funcionalização não
homogênea na superfície do vidro
Deste modo, com as devidas otimizações, é possível que o processo possa ser aplicado na
confecção de microdispositivos mais completos, como aqueles para análise celular via
separação eletroforética. Por fim, convém destacar que os processos alternativos empregados
nesta etapa do trabalho foram realizados em ambiente comum de laboratório de química, sem
a necessidade do uso de salas limpas.
Referências
1.
Arora, A., Simone, G., Salieb-Beugelaar, G. B., Kim, J. T., and Manz, A. Anal. Chem. 2010, 82, 48304847.
e-mail para contato: [email protected]
Micropartículas magnéticas obtidas por fluido supercrítico
Camila D. M. Campos, Paulo T. V. Rosa, José A. F. Da Silva
Instituto de Química – UNICAMP, Campinas, SP, 13083-970.
Resumo
Este trabalho descreve a preparação de partículas magnéticas por rota supercrítica. Entre
outras vantagens, distinguem-se os maiores valores de remanência e coercividade magnética
encontrados. O tamanho e distribuição das partículas mostrou ser dependente das condições de
síntese.
Introdução
Micropartículas são uma ferramenta cada vez mais presentes em dispositivos
microfluidicos. Usualmente utilizada como carreadores para proteínas, enzimas ou anticorpos
nessessários às reações, também encontram uso como válvulas e misturadores, dentre outras.
Em particular, partículas magnéticas são interessantes pela possibilidade de aprisionamento
destas nos microcanais sem a necessidade de estruturas porosas.
A maior parte dos trabalhos apresentados na literatura reporta a utilização de partículas
comerciais ou sintetizadas por co-precipitação. Neste trabalho, a produção de micropartículas
magnéticas por rota supercrítica é apresentada. Utilizou-se a reação em fluido supercrítico,
adaptada do trabalho de Cabañas et al. [1,2].
Procedimento Experimental
Reagentes: Água DI 18 mΩ.cm foi degaseificada antes do uso. O acetato de ferro II (95%)
foi obtido da Aldrich (Estados Unidos). As soluções A, B, C e D com cocentrações de 92,8,
92,9, 46,5 e 23,2 mmol L-1, respectivamente, foram produzidas.
Montagem do reator: Um reator de fluxo contínuo foi construído para a fabricação das
partículas. Foram utilizados 6 m de tudo de aço inox, duas bombas de HPLC, uma estufa, um
banho de resfriamento, uma válvula agulha e as conexões necessárias. A zona de reação possui
3 m. A estufa foi mantida a 200 ºC e o banho a 1 ºC. A pressão foi mantida em 200 kPa.
Otimização das condições de síntese: O primeiro teste foi feito utilizando-se a solução A.
A vazão de água foi mantida constante em 3,3 mL min-1, enquanto a de acetato foi de
1,7 mL min-1. Quatro frações foram recolhidas, na ordem de saída, A1, A2, A3 durante o
processo e A4 ao final do processo. Nesta última estão presentes as partículas que ficaram
retidas na válvula durante todo o processo. Após 12 h de repouso ocorreu a precipitação de
parte das partículas em solução. A adição de etanol 1:1 à fração coletada estabilizou a
suspensão das micropartículas. No segundo teste, as soluções B, C e D foram injetadas com
uma vazão de 0,5 mL min-1, enquanto a água degasificada foi mantida a uma vazão de 4,5 mL
min-1. Neste caso apenas duas frações foram recolhidas. A primeira (1) antes e a segunda (2)
após a abertura da válvula. Estas partículas foram utilizadas para os experimentos
subsequentes.
Recobrimento das partículas com PAA: Inicialmente utilizou-se o polímero de ácido
acrílico (PAA), obtido da Sigma (Estados Unidos), devido aos resultados positivos descritos na
literatura. As partículas foram precipitadas por ultracentrifugação (10000 rpm por 10 min). O
sobrenadante foi descartado e as partículas foram ressupendidas em ácido acético 5 mol L-1 de
maneira a manter o meio ácido. O polímero é então adicionado e a mistura mantida em repouso
até a precipitação das partículas. Quando isso ocorre, NaOH é adicionado.
Análises: Para verificar o tamanho das partículas foram feitas análises de espalhamento de
luz (EL). A composição das partículas foi avaliada por análise de espectro de energia
dispersiva (EDS) realizada no aparelho acoplado ao microscópio eletrônico de varredura JSM
840 A (Jeol, EUA). O mesmo equipamento foi utilizado para a obtenção de imagens por
microscopia eletrônica de varredura (MEV). As propriedades magnéticas foram avaliadas em
um magnetômetro de amostra vibrante (VSM, LakeShore, EUA) obtendo-se a curva de
histerese da amostra. O campo magnético foi variado entre -20 e 20 kOe, à temperatura
ambiente.
Resultados e Discussão
Caracterização das partículas
Maior concentração de acetato dá origem a partículas menores, devido ao maior número de
sementes resultantes, impedindo o seu crescimento. A relação entre oxigênio e ferro na
amostra é de 2,16. Detectou-se a presença de carbono residual - oriundo do acetato - como
contaminante da amostra. Quando sintetizadas pelo primeiro método as partículas tendem a
formar aglomerados maiores.
A partir das curvas de histerese foram calculadas a remanência (Mrem), a magnetização na
saturação (Msat), a relação entre as duas e a coercividade (Hc) das partículas - Tabela 1. A
magnetização e remanência das partículas B foi bem maior do que as das partículas A. No
entanto, a relação entre seus valores, bem como a coercividade, são bastante próximas. A
coercividade e a remanência tiveram aumentos de duas ordens de magnitude. De acordo com
as considerações feitas por Dunlop [3], o valor de Mrem/Msat superior a 0,1 indica a existência
de poucos domínios cristalinos, incando o crescimento de maneira uniforme a partir das
sementes, e não a agregação comum na síntese por co-precipitação. Comparados com os
valores medidos em partículas sintetizadas por co-precipitação verifica-se uma melhora
significativa nas respostas magnéticas.
Tabela 1. Propriedades magnéticas das partículas sintetizadas
Partícula
Mrem (emu.g-1) Msat (emu.g-1)
Mrem/ Msat
Hc (G)
A
0,09
0,40
0,24
133,2
B
0,31
1,77
0,18
137,5
Conclusão
O processo supercrítico dá origem a partículas com melhores propriedades magnéticas, e
que é possível recobrir as partículas com material polimérico, substrato para imobilização de
enzimas ou anticorpos.
Agradecimentos: Os autores agradecem a FAPESP pelo suporte financeiro
(2011/02477-3).
[1] A. Cabanas, J. A. Darr, E. Lester, M. Poliakoff, Chem. Comm. 2000, 46, 901 (2000).
[2] A. Cabanas, M. Poliakoff, J. Mater. Chem., 11, 1408 (2001).
[3] D. J. Dunlop, Rep. Prog. Phys., 53, 707 (1990).
Escoamento de gotas de óleo através de micro capilares
José F. Gutiérrez, Márcio S. Carvalho
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC)
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo do escoamento de gotas de óleos suspensa em água através de micro canais
de seção reta constante e através de uma garganta, que são usados como modelos do espaço poroso. O campo
de velocidade da fase contínua e a velocidade da gota de óleo foram determinados através da técnica de
velocimetria por imagem de partículas em escala micrométrica (µ-PIV) para diferentes tamanhos de gotas e
geometria do micro canal. Os resultados obtidos mostram a variação do padrão do escoamento devido à
presença de gotas de óleo e fornecem importantes informações de como gotas de óleo mudam a mobilidade do
fluido injetado quando o mesmo escoa através de poros com gargantas menores do que tamanho das gotas.
Palavras-chave: Gota de óleo, emulsão, capilaridade, micro-PIV
Introdução
Estudos recentes [1] mostram que a injeção de emulsões óleo-água tanto na escala de poros
como na escala macroscópica levam a um aumento do fator de recuperação de óleo. Para
otimizar este processo, é fundamental um perfeito entendimento de como as emulsões escoam
em meios porosos, particularmente através das gargantas dos poros. Este trabalho foi focado
no estudo detalhado no escoamento de gotas de óleo suspensas em uma fase aquosa através de
um capilar com seção reta constante e com uma garganta.
Procedimento experimental
A bancada experimental, Fig. 1a, foi composta por 1 micro capilar (seção oval), 2 seringas
para a injeção da fase continua (água destilada + surfactante + partículas de fluorescência) e a
fase dispersa (óleo mineral), 1 microscópio invertido, 1 câmera CCD 1,4MP, 2 lasers para
iluminar o escoamento, 1 sincronizador e o programa Insight 3GTM desenvolvido pela TSI®.
Para o escoamento monofásico a injeção da fase continua (0,03 ml/h) foi feita pela abertura
N°1 e saída pela N°2. A região “B” foi usada para medir o campo de velocidade no micro
canal reto de seção reta constante e a região “C” o escoamento ao redor da garganta. No
escoamento bifásico a injeção da fase continua (0,03ml/h) foi feita pela abertura N°1, a fase
dispersa (0,003ml/h) pela abertura N°4 e saída do escoamento pela N°2. A região “A” (T
junction) foi usada na formação de gotas (óleo), a região “B” para medir o campo de velocidade do escoamento ao redor da gota no micro canal reto com seção reta constante, e a
região “C” o escoamento ao redor da gota na garganta. Os campos de velocidade, Fig. 2,
foram obtidos a partir da captura das imagens (100 pares), as técnicas de pré-processamento,
processamento e pós-processamento. No escoamento monofásico foi utilizada a técnica
“ensemble average” (média amostral de vários campos instantaneos) e no escoamento
bifásico, como é inerentemente transiente, foi utilizado o fato que o escoamento é periodico e
que as gotas são do mesmo tamanho, então a media amostral foi obtida com imagens de
diferentes gotas localizadas aprox. na mesma posição do canal.
Fig. 1: a) Bancada experimental -PIV e o micro capilar com suas dimensões.
Resultados e discussão
A análise do escoamento monofásico foi feito para medir a precisão das medições e
compará-lo com a solução analítica (escoamento laminar completamente desenvolvido), Fig.
3, o erro na velocidade média foi de aprox. 0.4%. No escoamento bifásico, as partículas de
fluorescência foram semeadas só na fase continua. No micro canal de seção reta constante, a
gota de óleo desloca-se sem deformação e sua velocidade média foi medida na interface óleo
e água, a gota move-se a uma velocidade maior (14,8 x10-4m/s) do que o escoamento médio
(9,5 x10-4 m/s). No micro canal com garganta, a gota foi estudada em 3 posições diferentes na
garganta, os resultados mostram que a pesar de impôr um fluxo constante, apresenta um
comportamento transiente. A gota sofre uma deformação levando um considerável incremento
na pressão, para manter o fluxo constante. Tipicamente para escoamentos de água é
considerado incompressível, devido ao fator de compressibilidade que é extremadamente
baixo (β ≈ 4x10-10 Pa-1). Sim embargo, a taxa utilizada neste trabalho foi bem menor (Q ≈ 1011
m3/s), então os efeitos de compressibilidade do liquido passam a ser importantes.
Micro canal com garganta
Micro canal seção reta
Esc. Monofásico
1a Pos.
2a Pos.
3 a Pos.
Esc. Bifásico
Fig. 2: Campo de velocidades do escoamento monofásico e bifásico no micro canal reto e com uma garganta.
Fig. 3: Comparação do perfil parabólico e experimental no micro canal reto e na garganta.
Conclusões
Estes resultados podem server como uma importante base de comparação e validação para
soluções numéricas na escala micrométrica e para valores baixos de números de capilaridade
(Ca=1,6x10-4), e mostrou-se que a variação do fluxo padrão é devido à presencia de gotas de
óleo, e fornecem informação importante como as gotas de óleo mudam a mobilidade do fluido
injetado quando passa através de poros com gargantas menores do que tamanho das gotas.
Referencias
[1] Guillen, V.R., Romero, M.I., Carvalho, M.S. and Alvarado, V., Multiphase flow, (2012).
Endereço eletrônico: [email protected]
Fabricação de um atuador eletromagnético para sistemas
microfluídicos
Luiz Eduardo Bento Ribeiro e Fabiano Fruett
Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação - Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
Resumo - A integração de micro sensores reatores e atuadores em dispositivos microfluídicos resulta em sistemas
portáteis, permitindo o desenvolvimento de novas aplicações. Neste trabalho, fabricamos um atuador
eletromagnético que é compatível com os sistemas microfluídicos. O atuador utiliza o campo magnético gerado
por uma bobina imersa em uma camada de PDMS para mover um ímã de neodímio que, por sua vez, pressiona
um diafragma sobre microcanais. O atuador pode ser utilizado para controlar o fluxo ao longo de um microcanal
ou ainda ser combinado com microcanais com formatos especiais para dar origem uma microbomba.
Palavras-chave – sistemas microfluídicos; microbomba; atuador eletromagnético.
I. Introdução - A microfluídica em seu caráter multidisciplinar estuda o design, modelagem,
caracterização, simulação, padrão de micro fluxos, e fabricação de micro sistemas. As
microbombas e microválvulas são tema central de investigação, devido às suas potenciais
aplicações: injeção controlada de medicamentos, síntese química, detecção química,
refrigeração localizada de circuitos eletrônicos, microbiologia, detecção biológica, análises
clínicas em medicina, e até impressão a jato de tinta [1-4].
Neste trabalho, o atuador para bombeamento de fluidos em microcanais visa assegurar
a compatibilidade e portabilidade dos dispositivos microfluídicos através do uso de técnicas de
fabricação e materiais compatíveis com a microfluídica e com a microeletrônica. Isso permite
a integração do atuador com sistemas anteriormente reportados na literatura como o caso do
sensor de permissividade dielétrica para análise de concentração de água em etanol [5].
II. Procedimento Experimental - O mecanismo de atuação é composto por um substrato de
vidro liso e lapidado, um diafragma feito de PDMS (Sylgard 184) depositado por spinner, um
ímã cilíndrico de NdFeB, um microcanal em formato “diffuser-nozzle” [6] e por uma bobina
para gerar o campo magnético necessário para o deslocamento do ímã. A “figura 1” mostra a geometria do microcanal e as camadas do dispositivo para uma melhor visualização do seu
funcionamento.
O microcanal de 400µm de largura e 80 µm de altura foi fabricado utilizando-se moldes
de fotoresiste SU-8 em substrato de vidro. Após a fotogravação da geometria do microcanal em
SU-8, um filme fino de PDMS com 80µm de espessura é depositado por spinner para cobrir
todo o substrato. Na sequência, o ímã permanente e a bobina são centralizados sobre o
microcanal e mais uma camada de PDMS é depositada para a fixação da bobina e dos tubos de
entrada e saída de fluido. Depois de sua cura, o PDMS é desmoldado do SU-8 preservando a
estrutura dos microcanais e, posteriormente, é selado permanentemente a um substrato de vidro
através de plasma de O2 para ativar as superfícies.
III. Resultados e Conclusões - O dispositivo foi fabricado com sucesso utilizando as técnicas
de fabricação de baixo custo e já consagradas na microfluídica e o seu desempenho está sendo
testado. A facilidade do processo empregado torna o dispositivo apto a incorporar sistemas
microfluídicos mais complexos, tais como reatores ou sistemas sensores. O dispositivo facilita
a portabilidade dos sistemas microfluídicos pois necessita apenas de uma fonte externa para
controlar o campo magnético gerado pela bobina.
Figura 1 - Camadas do atuador eletromagnético.
Figura 2 – Foto do dispositivo fabricado.
VI. Agradecimentos
Os autores agradecem ao Centro de Componentes Semicondutores (CCS), ao
Laboratório Multiusuário do IFGW (LAMULT) e ao Laboratório de Pesquisas em Dispositivos
(LPD). O suporte financeiro para essa pesquisa foi cedido pelo Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e pela Instituto Nacional de Ciência e
Tecnologia de Sistemas Micro e Nanoeletrônicos (INCT NAMITEC).
VI. Referências
[1] T. C. Yih, C. Mei, and B. Hammad, “Modeling and characterization of a nanoliter drug-delivery
MEMS micropump with circular bossed membrane” Nanomedicine, 2 (2005), pp. 164
[2] N. Xia, T.P. Hunt, B.T. Mayers, E. Alsberg, G.M. Whitesides, R.M. Westervelt, D.E. Ingber, “Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow” Biomedical Microdevices, 8 (2006), pp. 299-308.
[3] C. Fournier-Wirth, J. Coste, “Nanotechnologies for pathogen detection: Future alternatives?”, Biologicals, v. 38 (2010), pp. 9-13.
[4] Y.H. Wang, Y.W. Tsai, C.H. Tsai, C.Y. Lee, and L.M. Fu “Design and Analysis of Impedance Pumps Utilizing Electromagnetic Actuation” Sensors, 10(4) (2010): 4040-4052.
[5] L. E. B. Ribeiro, M. H. Piazzetta, J. S.Costa, A. L. Gobbi, F. Fruett, “Fabrication and Characterization of an Impedance Micro-Bridge for Lab-on-a-Chip,” (2010), v. 31, pp. 155-163.
[6] H. Yang, T. Tsai and C. Hu “Portable Valve-less Peristaltic Micro-pump Design and Fabrication” DTIP of MEMS & MOEMS, (2008), pp 273-278.
([email protected] / [email protected])
Desenvolvimento de Célula Microfluídica Fabricada com
Impressora 3D para Biossensores de SAW
Maria Cecilia Queiroga Bazetto, Paula Hespanholo Nascimento, Sergey Balashov
Divisão de Microssistemas (DMS), Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas, SP, Brasil
Resumo
O processo de prototipagem 3D foi usado para desenvolvimento e fabricação de uma célula
microfluídica (CM) para um sensor de ondas acústicas superficiais (SAW) de fase líquida. A CM com volume de
aproximadamente 10 l foi impressa e colada diretamente na superfície de uma linha de atraso de SAW, de
maneira que evita vazamento e mantém o volume do líquido sobre a superfície ativa do sensor que é igual a
1mm2. Os testes de RF revelaram que as perdas adicionais que a CM desenvolvida introduz no sistema é menor
do que 2.5 dB, considerado suficiente para a maioria das aplicações. Foi concluído que a tecnologia de
impressão 3D pode ser usada para rápida fabricação de circuitos microfluídicos mesmo para sistemas tão
críticos como componentes de SAW.
Palavras-Chaves: Célula Microfluídica, Biossensores, SAW, Impressora 3D.
Introdução
Os biossensores de SAW de fase líquida nos últimos dez anos ganharam muita atenção
tanto na parte de desenvolvimento teórico quanto na parte de implementação. Sensores desse
tipo necessitam de um acoplamento direto com uma CM sobre a parte sensível do sensor.
Esse processo normalmente é feito usando fotolitografia com vários tipos de fotoresites
espessos [1,2]. Sabendo que a área típica sensível de um sensor de SAW é na ordem de 1mm2
e que para análise de amostras muito diluídas é necessário volumes na ordem de 10 µl, a
altura da célula chega até aproximadamente 5 mm. Para essas dimensões, encontra-se muita
dificuldade para a fabricação de uma CM por processos de fotolitografia.
Neste trabalho foi usada a tecnologia de impressão 3D para fabricar CM e também foi
desenvolvido e testado o método de colagem desta célula diretamente na superfície de
circuitos de SAW.
Procedimento Experimental
As linhas de atraso de SAW (Fig. 1a) usadas em biossensores possuem uma área
sensível (3) entre um transdutor de entrada e um transdutor de saída. A célula fabricada com
1b
1c
1c
Fig.1 Processo de fabricação da CM. 1a- CM fabricada. 1b- CM impressa com tecnologia 3D. 1c- CM colada na
área sensível entre os transdutores.
impressora 3D (Fig. 1b) tem o objetivo de garantir o contato do líquido com a área sensível e
isolar os transdutores, esse isolamento é feito através de uma moldura (2) com a cola da
marca DOW CORNING-3145. Após impressão da célula (1) e posterior limpeza, esta é
colada (Fig.1a) direto na superfície da área sensível (3) através da moldura (2) coberta com a
cola. Os resultados de fabricação estão presentes na Fig. 1c.
Após o processo de colagem e secagem, foram feitas medidas de perdas de inserção
(IL) de sinal RF que mostraram a ausência de vazamento e alta estabilidade de sinal (Fig. 2).
Fig.2 – Perdas de sinal RF de uma linha de atraso de SAW. A curva vermelha corresponde perdas sem a CM; a
curva azul corresponde perdas com a CM; a curva verde representa perdas com a CM e a colocação de TRIS
(“hidroxi methyl-aminomethan”).
Resultados e Discussão
A análise da Fig. 2 mostra que a diferença no valor das IL é aproximadamente 2.5 dB
quando colocada a célula sobre o sensor. O aumento das IL é considerado insignificante após
a colocação da solução eletrolítica (TRIS) no interior da CM, o que comprova ausência de
vazamento (caso contrário o sinal seria muito atenuado). A CM desenvolvida apresenta
vantagens em relação ao uso de CM feitas por processos de microfabricação tradicionais,
dentre eles: resolução de problemas relacionados com vazamentos, melhoramento das
condições de entrada do líquido na parte sensível do sensor em casos de grandes alturas da
coluna de líquido, facilidade de limpeza e de reutilização.
Conclusões
Os resultados obtidos mostram que o processo desenvolvido pode ser usado pra
fabricar CM e por ser feito com prototipagem rápida 3D, é possível acelerar o processo de
desenvolvimento e testes de diferentes aplicações de biossensores e sensores de fase líquida.
Referências
[1] L.A. Francis, J-M. Friedt, C. Bartic and A. Campitelli, A SU-8 liquid cell for surface
acoustic wave biosensors, Spie Use, v,1 5455-43 (p.1of11), 2004-03-26.
[2] H.Tarbague, J.-L.Lachaud, S.Destor, L. Vellutini, J.-P.Pillot, B.Bennetau, E.Pascal,
D.Moynet, D.Mossalayi, D.Rebière, C.Dejous, PDMS (Polydimethylsiloxane) Microfluidic
Chip Molding for Love Wave Biosensor, Journal Integrated Circuits and Systems 2010; v.5 /
n.2:125-133.
e-mail: [email protected]
Agradecimentos
DT3D (Divisão de Tecnologias Tridimensionais) e CNPq.
Modificação química da superfície do papel para aplicabilidade em ensaios protéicos
Marillya de Oliveira Araújo, Ellen Flávia Moreira Gabriel, Mábio João Santana, Luiz
Henrique Keng Queiroz Júnior, Luciano M. Lião e Wendell Karlos Tomazelli Coltro
1
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brazil.
µPADs modificados quimicamente via processo de oxidação foram avaliados. O processo de oxidação foi
realizado em duas etapas com soluções de periodato de sódio e peróxido de hidrogênio para geração de grupos
ácidos carboxílicos na superfície do papel. Após o processo de modificação, os dispositivos foram fabricados pelo
um método alternativo denominado de carimbagem. A viabilidade dos µPADs modificados foi avaliado com o
ensaio analítico de albumina bolvina e tendo o método colorimétrico como sistema de detecção. A obtenção dos
grupos carboxílicos foi comprovada pela técnica de ressonância magnética de 1H. A melhor homogeniedade do
analito foi obtido na zona de detecção em µPADs fabricado com papel modificado.
Palavras-chaves: µPAD, modificação de superfície, Detecção colorimétrica.
Introdução
Os últimos anos os microdispositivos a base de papel, também conhecido como µPAD,
tem sido uma das ferramentas mais utilizadas para realização de ensaios bioánaliticos,
principalmente na área de diagnósticos clínicos. Vantagens como, facilidade de obtenção do
material, baixo custo, porosidade e biodegradabilidade são algumas das caractéristicas
espécificas que viabiliza a empregabilidade desse substrato nesse ramo da pesquisa [1]. Dentre
os ensaios bioánaliticos, o ensaio de protéina (albumina) tem sido um teste bastante investigado
por diferentes pesquisadores. A detecção de diferentes níveis estão relacionadas a diferentes
tipos de doenças principalmente as hepáticas e renais [2]. Os principais problemas reportados
à esse tipo de ensaio em que utiliza os chips de papel estão a falta de reprodutibilidade, o alto
desvio padrão e a dificuldade em obter uma faixa linear que abrange toda a faixa clínica do
analito. Na entativa de corrigir estes problemas, o trabalho descreve uma proposta de
modificação química da superfície do papel para melhorar a interação entre o analito e o
substrato.
Procedimento Experimental
Primeiramente, foi realizada a etapa de modificação química da superfície do papel. A
etapa de modificação foi feita em duas etapas utilizando soluções de periodato de sódio (0.5M)
e peróxido de hidrogênio (30% v/v). Na primeira etapa, o papel é emerso na solução de
periodato e mantido por 30 min em ambiente com ausência de luminosidade. Em seguida, o
papel é lavado com água e emerso em solução de peróxido seguindo o mesmo procedimento
descrito acima. Os µPAD quimicamente modificados foram fabricados como descrito por
Garcia et al. [3] utilizando um método alternativo denominado método de carimbagem.
Resumidamente, um carimbo com geometria específica é aquecido e pressionado sobre um
papel, que é posicionado sob um papel parafinado. A parafina em contanto com carimbo
aquecido atinge seu ponto de fusão e ocorre a transferência do desenho do carimbo para o papel
que será posteriormente utilizado nos ensaios análiticos. O dispositivo em questão contém 8
zonas de detecção conectados a uma zona central (ponto de aplicação da amostra). Ensaio
protéico (albumina bovina- BSA) foi utilizado para avaliar o desempenho análitico dos µPADs
modificados.
Resultados e discussões
A modificação química do papel foi realizado no intuito de gerar grupos carboxílicos
em sua superfície afim de melhorar no processo de imobilização proteína-papel. Essa melhora
favorece a homogeniedade do analito na zona de detecção e tenta corrigir os efeitos recorrentes
para ensaio análitico de protéina (albumina) como a falta de reprodutibilidade e diminuição do
desvio padrão. A formação do grupo carboxílico na superfície do papel foi acompanhada pela
técnica de ressonância magnética de 1H. A Figura 1 A mostra os espectros de 1H obtidos para
o papel nativo e oxidado. Um pico com deslocamento químico em torno de 8,5 ppm,
caractéristicos de hidrogênio de ácido carboxílico, foi observado no espectro do papel oxidado
e o mesmo não foi observado no papel nativo, comprovando assim a modificação química do
papel para grupos ácido carbóxilicos. Além disso, um pico com deslocamento em torno de 9,3
ppm também foi observado no papel oxidado que é caractéristico de grupo aldeído. A presença
do grupo aldeído é devido a primeira etapa de oxidação com solução de periodato que gera
preferêncialmente grupo aldeído. A necessidade da segunda etapa de oxidação ou geração do
grupo carboxílico é explicada pelo fato de o grupo carboxílico ser um grupo de oxidação mais
estável e que permite uma melhor imobilização do análito em questão.
C)
(B)
B)
A)
Figura 1- (A) Espectro de 1H (A) papel nativo (B) papel modificado e (C) ampliação da
região do espectro no qual evidência o pico de hidrogênio caractéristico de ácido carboxílico.
(B) Ensaio análitico de BSA 50 µM.
O desempenho análitico do µPAD modificado foi previamente avaliado com uma
solução padrão de albumina bovina (50 µM), Figura 1 B. Para este ensaio o dispositivo
modificado apresentou uma melhora significativa principalmente na homogeniedade ou
distribuição do análito na zona de detecção.
Conclusões
Em resumo, a modificação química dos dispositivos pelo processo de oxidação no qual
possibilitou a geração de grupos carboxílicos na superfície do papel. Essa modificação foi
importante para melhorar o desempenho analítico dessa plataforma e obter uma melhor resposta
analítica principalemente para os ensaios relacionados a protéina.
Referências
[1] Pelton. R., Trends Anal. Chem, 8, 925 (2009)
[2] Martinez et al., Anal. Chem, 82, 3 (2010)
[3] Garcia et al., Lab on Chip, submetido (2014)
[email protected]
Agradecimentos
CNPq, FAPEG, INCTBio, IQ-UFG.
Estudo das condições operacionais do sistema microfluídico
de gotas para incorporação de pDNA em lipossomas
catiônicos para aplicação em terapia gênica
1,2,3
M. T. VITOR1, A. L. P. de LIMA2 e L. G. de la TORRE3*
Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, DEMBio
Resumo: A terapia gênica visa à inserção de ácidos nucleicos em células-alvo, porém uma melhor eficiência de
transfecção se dá com menor tamanho e polidispersidade dos complexos. Sistemas microfluídicos baseados em
gotas são capazes de promover uma mistura rápida, gerando complexos com estas características e de forma
reprodutível. Neste contexto, utilizou-se no sistema microfluídico o óleo biocompatível FC-40 como fase contínua e
a solução aquosa de lipossoma catiônico juntamente com pDNA, como fase dispersa. Incorporou-se pDNA nos
lipossomas para investigar no sistema o número de capilaridade (Ca), número adimensional que relaciona as
forças viscosas e a tensão superficial entre as duas fases imiscíveis, e a razão molar de cargas (R+/-), razão molar
entre carga negativa dos ácidos nucleicos e carga positiva dos lipídios catiônicos. Os complexos obtidos com o
sistema operando em Ca=0,003 e em qualquer R+/- têm propriedades desejáveis a uma transfecção in vitro eficiente
em células de mamíferos.
Palavras-Chaves: sistemas microfluídicos de gotas, lipossomas catiônicos, ácidos nucleicos, terapia gênica.
1. INTRODUÇÃO
A terapia gênica visa à inserção de ácidos nucleicos em células-alvo, porém para os sistemas
de transfecção serem eficazes, devem possuir menor tamanho e polidispersidade [1]. Técnicas
convencionais de incorporação de ácidos nucleicos em lipossomas catiônicos envolvendo
agitação em vórtex e manual geram complexos grandes, polidispersos e de baixa
reprodutibilidade, por outro lado, o ambiente dentro de sistemas microfluídicos permite um
controle preciso e a otimização da produção de carreadores de genes [2]. Neste contexto,
investigamos as condições operacionais de um sistema microfluídicos de gotas para promover a
complexação entre pDNA e lipossomas catiônicos de forma a obter complexos reprodutíveis,
com menor tamanho e polidispersidade, que resultarão em transfecções mais eficientes.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Preparação dos complexos pDNA/lipossoma catiônico em sistema microfluídico de gotas para
investigação do número de capilaridade (Ca) e razão molar de carga (R+/-): Primeiramente, o
sistema foi operado com R+/- (razão molar entre carga negativa dos ácidos nucleicos e carga
positiva dos lipídios catiônicos) em 3 e wf (razão entre vazão de entrada das soluções aquosas e
vazão total) em 0,33, porém o número de capilaridade do sistema variando de 0,0008 a 0,005.
Depois, os complexos foram obtidos com o sistema operando com wf=0,33 e Ca=0,003, mas o
R+/- variando em 1,5; 3,0; 5,0; 7,0 e 10,0. O pDNA e os lipossomas catiônicos (soluções aquosas)
e a solução oleosa composta de óleo FC-40 da 3M acrescida de 5% v/v do surfactante Pico-Surf
1 da Sphere Fluidics foram introduzidos nos seus respectivos canais do sistema microfluídico de
gotas através de bombas seringas. Após o processo de complexação, a emulsão obtida foi
centrifugada a uma velocidade de 10000 rpm por 4 minutos, para separação das fases. Os
complexos foram caracterizados nos seguintes aspectos: distribuição de tamanhos,
polidispersidade e potencial zeta utilizando equipamento Zetasizer da Malvern.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na investigação do Ca, a partir dos dados de tamanho (Tabela 1) percebe-se que não há uma
variação significativa dos complexos na faixa de Ca estudada em Z-Average (~150 nm) e
Number Mean (~100 nm), com exceção do Ca=0,001. Por outro lado, ao examinarmos a
polidispersidade dos complexos (Tabela 1) verificamos que operando em condições de Ca abaixo
de 0,001 a PdI é acima de 0,2; e quando Ca está acima de 0,001 a PdI fica em torno de 0,2.
Estudos in vitro demonstraram que nanopartículas de tamanho entre 100 e 200 nm e
polidispersidade menor que 0,2 são mais facilmente internalizadas por células animais in vitro [3,
4]. No caso do potencial zeta (Tabela 1) percebemos que em todos os complexos a carga líquida é
positiva. As células têm, em geral, a superfície carregada negativamente, logo o complexo ter
carga positiva facilita a sua internalização [5], além de indicar estabilidade dos complexos com o
tempo. Dessa forma, optou-se pelo sistema operando em Ca=0,003 para investigar a razão molar
de carga, pois se encaixa nas propriedades que podem levar a uma maior eficiência de
transfecção sem um grande desvio padrão, indicando melhor reprodutibilidade. Para investigação
da razão molar de cargas, percebe-se novamente que não há uma variação significativa do
tamanho dos complexos (Tabela 1) em Z-Average (130-150 nm) e em Number Mean (~100 nm),
nem da PdI (~0,2), com exceção do R+/-=5,0. O potencial zeta diminuiu à medida que foi
adicionado mais pDNA (carga negativa) ao lipossoma catiônico (Figura 1), mas sempre com a
carga líquida positiva. De tal forma que todos os complexos com diferentes R+/- tinham
propriedades indicadas à transfecção de células animais in vitro.
Tabela 1 - Tamanho, polidispersidade e potencial zeta dos complexos (pDNA/lipossomas catiônicos) obtidos
em sistema microfluídico de gotas para investigar Ca (número de capilaridade) e R+/- (razão molar de cargas).
Nanoestrutura Z-Average(i) (± S.D.) nm Number Mean(ii) (± S.D.) nm
Pdl (iii)
Potencial Zeta (± S.D.) mV
Complexos pDNA/lipossomas (wf = 0,33 e R+/- = 3)
Ca=0,0008
145,10 ± 9,48
99,20 ± 0,84
0,291 ± 0,149
50,95 ± 0,21
Ca=0,0009
149,15 ± 20,58
72,41 ± 19,25
0,243 ± 0,040
27,60 ± 9,05
Ca=0,0009
149,15 ± 20,58
72,41 ± 19,25
0,243 ± 0,040
27,60 ± 9,05
Ca=0,001
306,85 ± 151,11
104,41 ± 40,02
0,435 ± 0,037
32,05 ± 5,02
Ca=0,003
131,20 ± 16,40
89,58 ± 16,86
0,189 ± 0,024
44,20 ± 2,12
Ca=0,005
150,20 ± 15,98
96,03 ± 39,70
0,202 ± 0,079
41,45 ± 12,66
Complexos pDNA/lipossomas (wf = 0,33 e Ca=0,003)
R+/-=1,5
156,80 ± 21,78
111,26 ± 17,46
0,210 ± 0,078
34,90 ± 4,24
R+/-=3,0
131,20 ± 16,40
89,58 ± 16,86
0,189 ± 0,024
44,20 ± 2,12
R+/-=5,0
159,30 ± 38,61
123,13 ± 47,33
0,250 ± 0,139
52,75 ± 5,02
R+/-=7,0
123,30 ± 5,73
95,09 ± 15,44
0,185 ± 0,058
46,85 ± 5,87
R+/-=10,0
136,60 ± 3,54
115,30 ± 18,74
0,153 ± 0,009
54,95 ± 7,00
Representam resultados das amostras ± desvio padrão de amostras independentes, n = 2. (i) Z-Average: valor médio
do tamanho. (ii) Number Mean: média ponderada do diâmetro das partículas em número (N-distribuição). (iii) PdI:
polidispersidade das amostras, varia em ordem crescente entre 0 e 1.
4. CONCLUSÃO
Sistema microfluídico de gotas operando em wf=0,33, Ca=0,003 e qualquer R+/- gera
complexos desejáveis a uma transfecção in vitro eficiente em células de mamíferos.
5. AGRADECIMENTOS
Agradecemos aos órgãos de fomento FAPESP, CNPq e CAPES; e ao Laboratório de
Microfabricação no LNLS onde foram fabricados os microdispositivos.
6. REFERÊNCIAS
[1]S. S. Harris and T. D. Giorgio, Gene Ther. 12, 512 (2005).
[2]A. T.-H. Hsieh, N. Hori, R. Massoudi, P. J.-H. Pan, H. Sasaki, Y. A. Lin and A. P. Lee, LChip 9, 2638 (2009).
[3]M. S. Muthu, S. A. Kulkarni, A. Raju and S. S. Feng, Biomaterials 33, 3494 (2012).
[4]J. Rejman, V. Oberle, I. S. Zuhorn and D. Hoekstra, Biochem J 377, 159 (2004).
[5]P. L. Felgner, T. R. Gadek, M. Holm, R. Roman, H. W. Chan, M. Wenz, J. P. Northrop, G. M. Ringold and M.
Danielsen, Proc Natl Acad Sci USA 84, 7413 (1987).
*E-mail para contato: [email protected]
Desenvolvimento de dispositivos microfluídicos de papel
com superfície quimicamente modificada para ensaios
clínicos utilizando detecção colorimétrica
Paulo de Tarso Garcia*1, Thiago Miguel G. Cardoso 1, Carlos D. Garcia2, Emanuel Carrilho 3 e
Wendell Karlos Tomazelli Coltro1
1
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil.
Department of Chemistry, The University of Texas at San Antonio, San Antonio, USA.
3
Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP, Brasil
2
Este trabalho descreve a utilização de dispositivos microfluídicos de papel (µPADs) fabricados por uma técnica
de carimbagem e aplicação em bioensaios de analitos clinicamente relevantes. Além disso, também é
apresentada uma estratégia para modificação química do papel visando melhor reprodutibilidade e
uniformidade de cor. Para fabricação dos µPADs utilizou-se um carimbo metálico aquecido para delimitar
barreiras hidrofóbicas de parafina. Realizou-se ensaios de nitrito, albumina bovina sérica (BSA), glicose e
ácido úrico (UA). A modificação química proporcionou a imobilização de enzimas no papel obtendo uma
melhora significativa na uniformidade de cor dos bioensaios enzimáticos. Com a modificação química, os
valores do desvio padrão relativo (DPR) para os ensaios de glicose e UA diminuíram de 40 para 10% e de 20
para 8%, respectivamente. Na análise destes analitos em amostras artificiais de urina, o erro experimental foi
inferior a 5%.
Palavras-chaves: Dispositivos de papel, modificação química, ensaios clínicos, detecção colorimétrica.
Introdução
Os dispositivos microfluídicos de papel (µPADs) tem demonstrado recentemente
elevado potencial para aplicação em uma variedade de estudos bioanalíticos envolvendo
diagnósticos clínicos [1]. Estes dispositivos foram propostos em 2007 pelo grupo do Prof.
George Whitesides [2]. A fabricação destes dispositivos requer a criação de barreiras
hidrofóbicas para definir regiões onde o fluido será transportado. As técnicas convencionais
de fabricação são a fotolitografia e a impressão a cera [3], que requerem equipamentos
sofisticados ou são processos laboriosos. Para realizar a detecção pode-se acoplar diversos
métodos de detecção tais como a eletroquímica e colorimétrica. Este trabalho mostra um novo
método de fabricação de µPADs, que é simples, rápido e de baixo custo bem como uma
modificação da superfície do papel visando obtenção de melhor uniformidade de cor para
garantir melhor reprodutibilidade. A viabilidade clínica foi demonstrada com a detecção de
quatro analitos clinicamente relevantes em uma amostra de urina artificial.
Procedimento Experimental
A fabricação dos PADs foi realizada com a utilização de um carimbo metálico
aquecido para definir barreiras de parafina no papel, conforme ilustrado esquematicamente na
Figura 1. A detecção colorimétrica foi realizada usando o modo scanner de uma impressora
DeskJet multifuncional (Hewlett-Packard, modelo F4280). Após a digitalização das imagens,
as mesmas foram convertidas para uma escala de cor de 24-bits (canal RGB) e analisadas
através do software Corel Photo-PaintTM. Realizou-se a modificação do papel através da
oxidação com periodato de sódio pra posterior imobilização de enzimas. Os bioensaios
conduzidos foram os ensaios de nitrito, BSA, glicose e UA. Utilizou-se uma amostra de urina
artificial para demonstrar a viabilidade dos µPADs. Também foram realizados testes de
robustez dos µPADs (estabilidade térmica com reagentes, estabilidade térmica da morfologia
dos µPADs e estabilidade da oxidação do papel) com o intuito de demonstrar a potencialidade
dos dispositivos como ferramentas para análises clínicas.
(d)
Carimbo
metálico
45 mm
Papel
parafinado
(a)
Papel
nativo
(b)
(c)
Figura 1. Esquema do processo de fabricação dos PADs baseado no processo de
carimbagem. Em (a), um papel parafinado é colocado sobre um papel nativo; Em (b), o
carimbo é colocado em contato com o “sanduíche” de papeis;; a etapa (c) representa um
PAD fabricado. A micrografia óptica em (d) representa uma imagem real do PAD.
Resultados e Discussões
Com a realização dos bioensaios foi possível perceber que a modificação do papel
garantiu uma melhora na uniformidade de cor nas zonas de detecção dos enzaios enzimáticos,
como pode ser observado na Figura 2.
Figura 2. Micrografias ópticas mostrando (A) ensaios simultâneos no papel nativo e a falta de uniformidade de
cor nos ensaios de (glicose) e (B) UA. Em (D) está representado ensaios de glicose e UA no papel oxidado, em
(E) e (F) evidencia-se a melhor uniformidade de cor obtida nos ensaios de glicose e UA, respectivamente.
Com a modificação química, os desvios padrão relativos (DPR) para os ensaios de
glicose e UA diminuíram de 40 para 10% e de 20 para 8%, respectivamente. Essa melhora na
uniformidade de cor garante maior confiabilidade ao analista na análise colorimétrica. Foi
possível realizar a construção de curvas analíticas obtendo perfil linear que abrangem a faixa
clínica de cada ensaio e assim determinou-se essas espécies em uma amostra de urina
artificial com erros experimentais inferiores a 5%. Os testes de robustez demonstraram a
estabilidade térmica dos µPADs bem como a estabilidade do processo de modificação do
papel.
Conclusões
Em resumo, os µPADs fabricados a partir do uso de um carimbo mostraram
potencialidade para aplicações clínicas, uma vez que também foi obtido uma melhor
confiabilidade nas análises quando se utiliza µPADs quimicamente modificados. Com isso,
vantagens como o baixo custo por ensaio (R$ 0,01) e a portabilidade dos µPADs corroboram
para a utilização dos mesmos em diagnósticos clínicos.
Referências
[1] W.K.T. Coltro et al., Electrophoresis, 31, (2010)
[2] A.W. Martinez et al., Angew. Chem. Int. Ed., 46, (2007)
[3] E. Carrilho et al., Anal Chem., 81, (2009)
*
E-mail: [email protected]
Agradecimentos
CNPq, FAPEG, INCTBio.
Quantitative evaluation of flow fields using µPIV
measurements and LBM simulations
Bryant P. W.1,†, Neumann R. F.1,†, Moura M. J. B.1,†, Steiner M.1,
Engel M.2, Carvalho M. S.3, Feger C.1
1
IBM Research | Brazil, Av. Pasteur, 138 / 146, Urca, Rio de Janeiro, Brazil
IBM Research | Watson, 1101 Kitchawan Rd, Yorktown Heights, NY, USA
3
Dept. Mech. Eng., PUC-Rio, R. Marquês de São Vicente, 225, Gávea, Rio de Janeiro, Brazil
†
Equal contribution
2
In Microscopic Particle Image Velocimetry (µPIV), velocity fields in microchannels are sampled over a finite
volume within which the velocity field may vary significantly. This has limited measurements often to be only of
qualitative nature. Advanced data processing techniques have been proposed in an effort to overcome this
limitation, but they are often so complicated and convoluted that the physical understanding is limited or even
precluded. We introduce an alternative and straightforward method by which one can determine the size and
shape of the volume over which fluids are sampled. By comparing measurements and simulations, we prove this
method enables quantitative evaluation of velocity fields, even close to walls. We later show its robustness by
applying it to several practical examples. The results have general implications for research and development
that requires reliable quantitative measurement of fluid flow on the micrometer scale and below.
Keywords: µPIV, Lattice Boltzmann Method, sampling volume.
1) Introduction
Several works in microfluidics that used µPIV to extract flow fields [1,2,3] were limited to
qualitative analysis of flow profiles due to the inherent finiteness of the sampling region.
Complicated concepts such as the “depth of correlation” that were introduced to account for
this effect often have arbitrary parameters, ill-defined applicability, and lead to a non-intuitive
interpretation of results. We introduce an alternative approach based on the concept of the
“sampling volume” (SV). We show it provides a simple way to quantitatively evaluate µPIV
experiments as well as a straightforward interpretation of the velocity measurement.
2) Experimental and Simulation Methods
The experiments were performed using a commercially available µPIV system (TSI Inc.),
composed of an optical microscope, CCD camera, two lasers and a laser pulse synchronizer.
The image pixel corresponds to ∆x=0.32 µm. The synchronizer controls the timing sequence
of laser pulses and exposure time of the CCD. A glass microfluidic device by Dolomite Centre
Ltd was used in the flow experiments. The device has a straight channel with an elliptical
cross-section of 50 µm (55 µm) semi-minor (semi-major) axis. To visualize the flow, purified
water was seeded with 1 µm fluorescent particles. The injection rates ranged from 25 µl/h to
100 µl/h. Pairs of snapshots of the particle-seeded fluid were taken at ∆t=500µs intervals. The
images were divided into 32×32 pixels interrogation windows to calculate the crosscorrelation function and locate its peak. We recover the velocity by multiplying the position
of the peak by ∆x/∆t. The final outcome is the experimental velocity flow field ve=(vx,vy) for
every (x,y) point of the camera's field of view.
The simulations were performed using the Lattice Boltzmann Method (LBM) [4]. The
geometry of the microchannel, the pump's flow rate and the fluid properties were the only
input parameters required. The output of the simulation is the theoretical velocity flow field
vt=(vx,vy,vz) at every point (x,y,z) in the simulation domain.
3) Results and Discussion
Following the experimental procedure described above, we obtained the flow field in a
microchannel. The result is depicted in Fig. 1, for a flow rate of 100 µl/h.
Fig. 1: Experimental flow field for a 100 µl/h flow rate in a microchannel with elliptical cross section.
The experimental profile was averaged along x and is presented as points in Fig. 2 (left), with
error bars corresponding the one standard deviation. Compared to the theoretical profile at the
center of the channel, the measured profile is much lower. The measurement and the theory
can be reconciled, however, if one averages the theoretical flow field over the SV. By
sweeping the center and size of the SV, as in Fig. 2 (center), one can adjust the theoretical
velocity profile to the measured data. The best fit defines the correct placement and size of the
SV, as in Fig. 2 (right).
Fig. 2: Procedure used to locate the SV. The optimal fit (left) is determined by sweeping the fit parameters
(center) and locating the minimum residual. The fit parameters at the minimum indicates the position of the SV
with respect to the channel (right).
In contrast to previous attempts [1,2,3] to study the flow in microchannels we did not limit
ourselves to consider only the profile shape or the maximum velocity, nor were we forced to
disregard near-wall features such as the observed kinks. We managed instead to reproduce the
entire experimental profile from wall to wall with our spatial average over the SV.
4) Conclusions
The present approach using the SV offers a straightforward interpretation of the measurement
and an intuitive procedure that uses simple spatial volumetric averages to reconcile theoretical
and experimental velocities.
5) References
[1] C.D. Meinhart, S.T. Wereley and J.G. Santiago, Exp. Fluids 27, 414 (1999).
[2] A. Kloosterman, C. Poelma and J. Westerweel, Exp. Fluids 50, 1587 (2011).
[3] K. Sott et al., J. Colloid Interface Sci. 398, 262 (2013).
[4] S. Chen and G.D. Doolen, Annu. Rev. Fluid Mech. 30, 329 (1998).
Electronic address: [email protected]
Desenvolvimento de metodologia analítica para determinação
de tensoativos utilizando microchips de eletroforese com
detecção condutométrica sem contato
*Roger Cardoso Moreira, Anderson Almeida Dias e Wendell K. T. Coltro
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil
Resumo
Nesse trabalho avaliou-se a aplicabilidade de microchips de eletroforese para determinação de
tensoativos com detecção condutométrica sem contato. Nos resultados preliminares observouse uma variação indesejável na área do pico, na intensidade do pico e no tempo de migração,
apresentando desvio padrão relativo 28,1%, 21,9% e 13,2% respectivamente, que está
relacionada com a interação do analito com a parede do canal.
Introdução
Compostos de quaternários de amônio são constituídos por um cátion
quaternário de amônio ligado à um ânion. Os cátions geralmente possuem estrutura
NR+, onde R é um grupo alquila. Devido às suas propriedades físicas e químicas, os
sais de quaternário de amônio são amplamente utilizados na indústria química [1].
Os compostos de amônio quaternários são utilizadas em eletroforese como
inversores do fluxo elestrosmótico (FEO), devido a sua interação com a parede do
microcanal [2.] Sendo assim a detecção desses compostos é dificultada justamente
por essa interação. O uso de solventes orgânicos como eletrólito tem mostrado
vantagens nas separações desses compostos, pois a solubilidade do analito é
aumentada [3].
Procedimento Experimental
Foi utilizado um equipamento comercial de eletroforese em microchips com
detecção condutométrica sem contato (modelo C4D System 225, eDAQ, Austrália).
Foram utilizados microchips comerciais de vidro (modelo ET145) adquiridos junto a
Micronit Microfluidics (Enschede, Holanda), os quais possuem 45 mm de comprimento
e canal com dimensões 100x10 µm (largura×altura). Os microhips possuem eletrodos
integrados para detecção condutométrica sem contato. O software PeakMaster® foi
utilizado para escolher o eletrólito de corrida, sendo assim definiu-se o uso de um
sistema tampão MES/His 20 mmol.L-1. Os parâmetros do detector foram então
otimizados, chegando a uma frequência de 900 KHz e a amplitude 20 Vpp. No
processo eletroforético, o canal foi condicionado com hidróxido de sódio 0,1 mol.L-1
durante 20 minutos. Após lavagem do canal com água deionizada, analisou-se uma
solução aquosa contendo brometo de cetil trimetil amônio (CTAB) na concentração de
100 µmol.L-1.
Resultados e Discussão
Foi estudado se a interação do CTAB com a parede do microcanal afeta o tempo
de migração e o formato do pico. Sendo assim foram realizadas 110 injeções
consecutivas de uma solução contendo CTAB 100 µmol.L-1. Os eletroferogramas
estão representados na figura 1.
4
4
Sinal C D (mV)
Sinal C D (mV)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (s)
135
150
165
180
195
210
225
240
Tempo
Figura 1 – Eletroferogramas com 110 injeções sequenciais. Os
picos(s)positivos representam o
+
CTA (100 µM. Condições experimentais: tampão MES/His (20 mM), pH 6,1: injeção: 1200 V/1
s; separação: 1400 V. Frequência: 900 KHz; Amplitude: 20 Vpp.
Os desvios padrão relativos para a área, intensidade do pico e tempo de
migração foram 28,1%, 21,9% e 13,2% respectivamente. Essa variação é devido a
interação do CTAB com a parede do canal, sendo mais pronunciada na área dos
picos. A representação gráfica pode ser visualizada na figura 2.
(A)
90
30
100
20
75
10
50
0
25
-10
0
-20
0
20
40
60
80
Intensidade do Pico (mV)
125
Área do Pico (mV.s)
100
40
Área
Intensidade
100
Tempo de Migração (s)
150
(B)
Tempo
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
Número de Injeções
20
40
60
80
100
Número de Injeções
Figura 2 – Representação gráfica mostrando a variação (A) da área e intensidade do pico e
(B) tempo de migração versus as injeções consecutivas.
Conclusões
A detecção dos tensoativos em eletrólitos aquosos é prejudicada pela interação
com a parede do microcanal, sendo assim etapas futuras serão realizadas para
eliminar ou minimizar essas interações. Dentre as estratégias a serem utilizadas está o
aumento do tempo de condicionamento e/ou o aumento da concentração da solução
de hidróxido de sódio, visando uma maior ativação dos grupos silanóis da parede do
microcanal, de forma a conseguir uma maior estabilidade do FEO. Outro caminho é a
utilização de solventes orgânicos como eletrólito, assim a solubilidade do analito é
aumentada, reduzindo então a sua interação com a parede do canal.
Agradecimentos
Petrobrás, IQ-UFG, CNPq, FAPEG e INCTBio.
Referências
[1] H. Cao et al., Anal. Methods 6, 4790–4796 (2014).
[2] Baker, D. R. Capillary electrophoresis: New York, 1995.
[3] J. Wang, Anal. Chem., 75, 341-345. (2003).
Dispositivos Microfluídicos Aplicados a Micromisturas
Salomão Moraes da S. Jr1, Maria H. O. Piazzeta2 , Stanislav A. Moshkalev3 , Jacobus
W. Swart.1
1
FEEC – UNICAMP; Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade
Estadual de Campinas.2 LMF – CNPEM; Laboratório de Microfabricação, Centro
Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais.3CCS – UNICAMP; Centro de
Componentes Semicondutores, Universidade Estadual de Campinas.
Resumo
Este trabalho descreve a fabricação de dispositivos microfluídicos para aplicação hidrodinâmica em
vidro e polidimetilsiloxano (PDMS). A modelagem foi feita com a ferramenta multifísica
COMSOL® especificamente com o software CFD (simulação computacional fluidodinâmica) e o
dispositivo foi fabricado utilizando técnicas de microfabricação convencionais.
Palavras-Chaves: Microfluídica, Microfabricação e Hidrodinâmica.
1.Introdução
Microfluídica pode ser definida como o estudo de fluxos que são mono ou
multifásicas, que circulam em microssistemas artificiais, isto é, sistemas simples ou
complexos, que são fabricados utilizando tecnologias de microfabricação que envolvem
várias técnicas, incluindo fotolitografia, corrosão, deposição, corrosão e micro
impressão, que permitem a fabricação de sistemas miniaturizados [1]. A utilização
destes dispositivos tem algumas vantagens como utilização de pequenos volumes, maior
transferência de massa e calor, que fazem com que estes dispositivos sejam atrativos
para aplicações químicas e biológicas entre outras, pois é possível gerargradientes de
concentração estáveis e controlados. Este trabalho visa explorar as possibilidades de
aplicações de dispositivos microfluídicos fabricados em vidro e polidimetilsiloxano
(PDMS), como processos de interdifusão controlada e comparar com os modelos
simulados utilizando geometrias comumente aplicadas como micro-misturadores.
2. Procedimento Experimental
Após revisão da literatura, foram feitos alguns cálculos teóricos e simulações
para obter definição de perfil, razão de aspecto e formato das geometrias dos
microcanais, desenho e confecção das máscaras. Foram feitas as limpezas das lâminas
de vidro para microscopia, fabricante Perfecta, após a limpeza fora feita a secagem e
fotogravação com o fotoresiste AZ4620 em que fora aplicado um longo tratamento
térmico (hard bake) para ser utilizado como máscara para corrosão em solução de ácido
fluorídrico (HF) e, em seguida, imersão em ácido clorídrico (HCl) para remoção de
material nos microcanais.Após a corrosão, fora feita a caracterização do canal para
observar perfil, rugosidade, largura e profundidade utilizando medidas de perfilometria,
com o Perfilômetro VeecoDektak 150. Para selagem do canal optou-se por utilizar o
polímero PDMS, em que fora feita ativaçãopor plasma de O2para selagem
irreversível.Para testes foram utilizados bomba de seringa modelo NE-4000 da New
EraPumpSystems inc., microscópioCitovalcom câmera digitalacoplada externamente.
3. Resultados e Discussão
Foram utilizados alguns líquidos com viscosidades próximas a da água, para o
experimento com os dispositivos com microcanais com larguras entre 50 e 200
micrometros, e profundidades entre 30 e 50 micrometros, a modelagem do sistema
ocorreu na região de laminaridade com número de Reynolds em torno de 10. Utilizando
a bomba de seringa com vazões variáveis entre 10 e 100 microlitros por minuto para
cada injeção e alteração dos fluidos foi possível observar uma difusividade controlada,
que pode ser modificada de acordo com a geometria e os fluidos em questão. A figura 1
mostra o comparativo dos resultados experimentais deste trabalho (imagens ópticas)
com a modelagem computacional. Observando as imagens da esquerda para direita,
estão as duas entradas e em seguida a saída de cada dispositivo. A comparação mostra
que a simulação reproduz bem os resultados observados experimentalmente.
(a)
(b)
(c)
Figura1 – Comparação da simulação com os experimentos práticos (experimentos práticos na parte
superior e simulação na parte inferior). (a) Mostra os fluidos sem mistura. (b) Mostra os fluídos com grau
de difusividade intermediária. (c) Mostra a mistura completa dos fluidos no microcanal do dispositivo.
4. Conclusões
Dentro do trabalho proposto pode-se concluir a possibilidade de aplicações em
processos químicos, farmacêuticos e biológicos de mistura com difusividade controlada,
e com a proposta de diminuição de tempo de residência, por haver uma maior
transferência de calor e massa nestes dispositivos, e a possibilidade de fazer a
modelagem dos sistemas para validar e alinhar a aplicação desejada com ferramentas
computacionais, no caso, COMSOL® sem precisar começar a fabricar os dispositivos
reduzindo assim a necessidade de práticas empíricas e otimizando tempo nos projetos e
economia de materiais nos processos de fabricação.
Agradecimentos
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Amazonas-FAPEAM, pelo fomento com bolsa
de estudos, ao LMF-CNPEM, ao CCS-UNICAMP, ao LAMULT-IFGW-UNICAMP,
pelo apoio de seus grupos de trabalho, equipamentos e colaboração.
Referências
[1] P. Tabeling, Introductions to Microfluidics.English Translation® Oxford
University Press Inc., New York(2005).
Contato do autor: [email protected]
Dispositivos Microfluídicos Aplicados a Micromisturas
Salomão Moraes da S. Jr1, Maria H. O. Piazzeta2 , Stanislav A. Moshkalev3 , Jacobus
W. Swart.1
1
FEEC – UNICAMP; Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade
Estadual de Campinas.2 LMF – CNPEM; Laboratório de Microfabricação, Centro
Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais.3CCS – UNICAMP; Centro de
Componentes Semicondutores, Universidade Estadual de Campinas.
Resumo
Este trabalho descreve a fabricação de dispositivos microfluídicos para aplicação hidrodinâmica em
vidro e polidimetilsiloxano (PDMS). A modelagem foi feita com a ferramenta multifísica
COMSOL® especificamente com o software CFD (simulação computacional fluidodinâmica) e o
dispositivo foi fabricado utilizando técnicas de microfabricação convencionais.
Palavras-Chaves: Microfluídica, Microfabricação e Hidrodinâmica.
1.Introdução
Microfluídica pode ser definida como o estudo de fluxos que são mono ou
multifásicas, que circulam em microssistemas artificiais, isto é, sistemas simples ou
complexos, que são fabricados utilizando tecnologias de microfabricação que envolvem
várias técnicas, incluindo fotolitografia, corrosão, deposição, corrosão e micro
impressão, que permitem a fabricação de sistemas miniaturizados [1]. A utilização
destes dispositivos tem algumas vantagens como utilização de pequenos volumes, maior
transferência de massa e calor, que fazem com que estes dispositivos sejam atrativos
para aplicações químicas e biológicas entre outras, pois é possível gerargradientes de
concentração estáveis e controlados. Este trabalho visa explorar as possibilidades de
aplicações de dispositivos microfluídicos fabricados em vidro e polidimetilsiloxano
(PDMS), como processos de interdifusão controlada e comparar com os modelos
simulados utilizando geometrias comumente aplicadas como micro-misturadores.
2. Procedimento Experimental
Após revisão da literatura, foram feitos alguns cálculos teóricos e simulações
para obter definição de perfil, razão de aspecto e formato das geometrias dos
microcanais, desenho e confecção das máscaras. Foram feitas as limpezas das lâminas
de vidro para microscopia, fabricante Perfecta, após a limpeza fora feita a secagem e
fotogravação com o fotoresiste AZ4620 em que fora aplicado um longo tratamento
térmico (hard bake) para ser utilizado como máscara para corrosão em solução de ácido
fluorídrico (HF) e, em seguida, imersão em ácido clorídrico (HCl) para remoção de
material nos microcanais.Após a corrosão, fora feita a caracterização do canal para
observar perfil, rugosidade, largura e profundidade utilizando medidas de perfilometria,
com o Perfilômetro VeecoDektak 150. Para selagem do canal optou-se por utilizar o
polímero PDMS, em que fora feita ativaçãopor plasma de O2para selagem
irreversível.Para testes foram utilizados bomba de seringa modelo NE-4000 da New
EraPumpSystems inc., microscópioCitovalcom câmera digitalacoplada externamente.
3. Resultados e Discussão
Foram utilizados alguns líquidos com viscosidades próximas a da água, para o
experimento com os dispositivos com microcanais com larguras entre 50 e 200
micrometros, e profundidades entre 30 e 50 micrometros, a modelagem do sistema
ocorreu na região de laminaridade com número de Reynolds em torno de 10. Utilizando
a bomba de seringa com vazões variáveis entre 10 e 100 microlitros por minuto para
cada injeção e alteração dos fluidos foi possível observar uma difusividade controlada,
que pode ser modificada de acordo com a geometria e os fluidos em questão. A figura 1
mostra o comparativo dos resultados experimentais deste trabalho (imagens ópticas)
com a modelagem computacional. Observando as imagens da esquerda para direita,
estão as duas entradas e em seguida a saída de cada dispositivo. A comparação mostra
que a simulação reproduz bem os resultados observados experimentalmente.
(a)
(b)
(c)
Figura1 – Comparação da simulação com os experimentos práticos (experimentos práticos na parte
superior e simulação na parte inferior). (a) Mostra os fluidos sem mistura. (b) Mostra os fluídos com grau
de difusividade intermediária. (c) Mostra a mistura completa dos fluidos no microcanal do dispositivo.
4. Conclusões
Dentro do trabalho proposto pode-se concluir a possibilidade de aplicações em
processos químicos, farmacêuticos e biológicos de mistura com difusividade controlada,
e com a proposta de diminuição de tempo de residência, por haver uma maior
transferência de calor e massa nestes dispositivos, e a possibilidade de fazer a
modelagem dos sistemas para validar e alinhar a aplicação desejada com ferramentas
computacionais, no caso, COMSOL® sem precisar começar a fabricar os dispositivos
reduzindo assim a necessidade de práticas empíricas e otimizando tempo nos projetos e
economia de materiais nos processos de fabricação.
Agradecimentos
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Amazonas-FAPEAM, pelo fomento com bolsa
de estudos, ao LMF-CNPEM, ao CCS-UNICAMP, ao LAMULT-IFGW-UNICAMP,
pelo apoio de seus grupos de trabalho, equipamentos e colaboração.
Referências
[1] P. Tabeling, Introductions to Microfluidics.English Translation® Oxford
University Press Inc., New York(2005).
Contato do autor: [email protected]
Extração de RNA viral em microchip de Poliéster-toner
Thiago D. Gimenez (1), Kézia G. Oliveira (1), Alexandre M. Bailão (2), Luiz Paulo A. Santos (2),
Gabriela R. M. Duarte (1).
1. Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia – GO, Brasil.
2. Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Goiás, Goiânia – GO, Brasil.
Resumo
Os sistemas microfluídicos tem demonstrado ser uma ferramenta analítica poderosa para análise de
DNA e RNA, especialmente para diagnóstico molecular. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de
uma metodologia para o diagnóstico e caracterização molecular do vírus Dengue em dispositivos de poliéstertoner (PeT) totalmente integrado. Na primeira fase do projeto está sendo desenvolvido um procedimento para
extração de RNA viral de uma célula infectada com o vírus Dengue em microchip de PeT. RNA foi extraído com
alto rendimento utilizando um método de extração dinâmica em fase sólida (dSPE) baseado em quatro etapas:
adsorção do RNA em partículas magnéticas, lavagem, desorção e eluição do RNA. Foram coletadas onze
frações, contendo um total de 82 ng de RNA, o equivalente a uma eficiência de extração de 83%. A primeira
fração coletada após o início da eluição é altamente concentrada (14,5 ng. L-1) e demonstrou possuir qualidade
suficiente para análises subsequentes, a RT-PCR.
Palavras-chaves: microchip de poliéster-toner, Dengue, diagnóstico molecular, extração de RNA.
Introdução
As plataformas microfluídicas integradas representam uma nova geração de
dispositivos que podem úteis para muitas aplicações bioanalíticas. Estes dispositivos podem
contribuir para resolver muitos problemas de saúde pública, como por exemplo, diagnóstico
precoce e controle de doenças em tempo reduzido e com menor custo. Os sistemas
microfluídicos, de forma geral, apresentam a oportunidade de automatização da manipulação
de soluções, reduzindo o contato manual com a amostra e diminuindo as possibilidades de
contaminação da mesma [1]. Isso é particularmente importante para trabalhos envolvendo a
manipulação de ácidos nucléicos, uma vez que os riscos de contaminação da amostra são
muito grandes. O ácido ribonucleico (RNA), por exemplo, é facilmente degradado por
enzimas ribonucleases (RNases), enzimas onipresentes, encontradas por exemplo na
superfície da pele humana e em partículas de poeira [2].
Este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia para o diagnóstico e
caracterização molecular do vírus Dengue em um dispositivo microfluídico de poliéster-toner
(PeT) totalmente integrado. O genoma do vírus Dengue consiste de RNA de
aproximadamente 11 kilobases, havendo quatro sorotipos distintos, denominados DENV 1-4.
Eles têm a mesma epidemiologia, mas são antigenicamente diferentes [3].
Em uma primeira etapa, os estudos estão sendo feitos no sentido de se obter uma
metodologia adequada e eficiente para a extração do RNA viral de uma célula infectada em
microchip de PeT. O sucesso desse procedimento representa o primeiro passo para o
desenvolvimento de um microssistema para análises totais (µTAS), em que as etapas de
extração de RNA, transcrição reversa seguida da reação em cadeia da polimerase (RT-PCR) e
separação eletroforética do DNA serão realizadas em um único dispositivo microfluídico
completamente integrado.
Procedimento experimental
Os microchips de poliéster-toner foram fabricados de acordo com a metodologia
descrita por Duarte et al. em 2011 [1]. Os canais e os reservatórios foram criados com o
auxílio de uma cortadora a laser e os filmes foram alinhados e laminados em uma laminadora
operando a 150°C. O volume do canal é de 5 µL.
Para a extração de RNA, utilizou-se inicialmente uma amostra de RNA pré-purificado
e um procedimento de extração em fase sólida dinâmica (dSPE) baseado em quatro etapas: (1)
adsorção do RNA em partículas magnéticas de sílica (MagneSil®), utilizando uma solução de
hidrocloreto de guanidina (GuHCl) 6mol/L, pH 6,1; (2) lavagem com etanol 80%; (3)
desorção do RNA; (4) eluição com água nanopura. Foi adicionado no reservatório de entrada
um total de 99 ng de RNA, dissolvido em GuHCl, pH 6,1. Onze frações foram coletadas a
partir do reservatório de saída, sendo três frações (6 µL no total) coletadas a partir da etapa de
lavagem com etanol, duas (4 µL no total) a partir da substituição do etanol presente no canal
pela água e seis (12 µL no total) a partir da etapa de eluição com água. Todas as frações foram
quantificadas no Fluorímetro Qubit® 2.0, da Invitrogen, de acordo com o protocolo do
fabricante. Após a extração, o RNA extraído no microchip de PeT foi submetido a RT-PCR,
para a amplificação do fragmento de 136 pb.
Resultados e discussão
A extração de RNA pré-purificado no microchip de PeT mostrou-se eficiente, sendo
possível recuperar 82 ng de RNA de 99 ng iniciais, o que equivale a uma eficiência de
extração de 83%. A primeira fração de 2 µL coletada após o início da eluição com água
nanopura foi a que apresentou a maior quantidade de RNA, 29 ng, equivalente a 35% do total
extraído. Além disso, o RNA extraído no microchip de PeT apresentou alta qualidade, ou seja,
foi submetido com sucesso a RT-PCR amplificando um fragmento de 136 pb.
Os próximos passos deste trabalho envolvem o estudo da influência do pH da solução
de hidrocloreto de guanidina na eficiência de extração e a otimização da quantidade de fase
sólida. Além disso, serão utilizadas outros tipos de fase sólida, como por exemplo,
nanopartículas de ferro revestidas com ácido dimercaptossuccínico em substituição às
partículas de Magnesil®. Posteriormente, será feita a extração do RNA do vírus Dengue de
células infectadas.
Conclusões
O microchip de poliéster-toner, um dispositivo microfluídico simples, de baixo custo,
descartável e de fácil fabricação, mostrou-se capaz de extrair RNA com boa eficiência de
extração (83%) e de alta qualidade, ou seja, capaz de ser submetido com sucesso a RT-PCR.
A extração de RNA em microchip de PeT representa a primeira etapa do processo analítico
completo de diagnóstico molecular do vírus Dengue em plataformas microfluídicas.
Referências
[1] G. R. M. Duarte, Analytical Chemistry 83, 13 (2011).
[2] K. A. Hagan, Analytical Chemistry 80, 22 (2008).
[3] R. F. S. Araújo, R. Eletr. De Com. Inf. Inov. Saúde 1, 2 (2007)
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, a CAPES, e ao professor Dr. Paulo César Ghedini, do
Instituto de Ciencias Biológicas da Universidade Federal de Goiás.
e-mail: [email protected]
Determinação de Lítio utilizando microchips de
eletroforese com detecção condutométrica sem contato
Simone Bernadino Lucas1,2 e Wendell Karlos Tomazelli Coltro1,2.
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil
Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Bioanalítica (INCTBio), Campinas/SP,Brasil
Resumo
Este trabalho teve como objetivo a utilização de microssistemas eletroforéticos com detecção
condutométrica sem contato (C4D) para a detecção de íons lítio. Os resultados apresentaram boa correlação
para concentrações entre 10 e 50 mol/L, sendo o coeficiente de correlação da curva de calibração, R =
0,99894. Deste modo, esta técnica pode ser empregada na detecção de íons lítio em amostras reais de pacientes
tratados com medicamentos a base deste elemento químico.
Palavras-chave: Eletroforese, Detecção Condutométrica Sem Contato, Lítio.
Introdução
Atualmente o lítio é utilizado no tratamento de várias condições neuropsiquiátricas,
atuando como agente neurotrópico, neuroprotetor e estabilizante de humor. Medicamentos a
base deste composto são utilizados em pacientes com transtornos bipolares, fase depressiva e
hiperatividade psicomotora. [1]
A aplicação da eletroforese em microchips no campo de análise clínica tem sido muito
estudada nos últimos anos, pois a partir da determinação de alguns íons é possível
diagnósticar doenças de forma rápida e com baixo custo. [1] Neste contexto, a eletroforese em
microchips com detecção condutométrica sem contato (C4D) pode ser utilizada para a
determinação de íons lítio em amostras reais, uma vez que este composto está presente em
uma classe considerável de medicamentos psiquiátricos.
Procedimento Experimental
Utilizou-se um sistema de eletroforese em microchips acoplado com detecção
condutométrica sem contato (modelo C4D System 225) comercializado pela eDAQ
(Denistone East, Austrália). Foram usados microchips comerciais de vidro (modelo ET145)
com comprimento total igual a 45 mm e canal com dimensões 100x10 µm (largura×altura),
com eletrodos integrados. Para a construção da curva analítica analisou-se soluções de
cloreto de lítio na faixa de concentração de 10 a 50 mol/L, com tempo de injeção: 1s; como
eletrólito foi utilizado o sistema tampão MES/His 20 mmol.L-1, pH 6,1. As condições de
injeção otimizadas foram, 800 V para a injeção e separação 1000 V, e os parâmetros de
detecção foram: 900 kHz, 20 Vpp.
Resultados e Discussão
Foram analisadas soluções aquosas do medicamento a base de lítio (Carbonato de
Lítio), e a determinação de íons Li+ foi realizada pelo método de curva de calibração. Os
eletroferogramas para a curva de calibração podem ser vistos na Figura 1. A e a curva de
calibração na Figura 1.B. O coeficiente de correlação da curva analítica feita a partir da área
do pico x Concentração foi R= 0,99894, o que representa uma boa correlação e evidencia a
eficiência do método empregado. A partir desta curva foi possível determinar a concentração
de amostras de Li2CO3 na faixa de 10 a 50 mol/L, como pode ser observado nos
eletroferogramas da Figura 1. C.
(B)
4
Sinal C D (mV)
(A)
+
Li 10uM
+
Li 20uM
+
Li 30uM
+
Li 40uM
+
Li 50uM
20
40
60
80
100
Tempo (s)
4
Sinal C D (mV)
(C)
Li2CO3 (10 uM)
Li2CO3 (20 uM)
Li2CO3 (30 uM)
Li2CO3 (40 uM)
Li2CO3 (50 uM)
80
100
120
140
160
Tempo (s)
Figura 1. (A) Eletroferogramas para a curva analítica de diferentes concentrações de Lítio. O pico positivo é
referente ao Li+ e o negativo é referente ao marcador do marcador neutro (água). Tempo de injeção: 1s;
Tampão MES/His 20 mmol.L-1, pH 6,1. Injeção 800 V. Separação 1000 V. Detecção: 900 kHz, 20 Vpp. (B)
Curvas analítica Área do Pico x Concentração. (C) Eletroferogramas mostrando a repetibilidade analítica de
diferentes concentrações de Carbonato de Lítio. O pico positivo é referente ao Li+ e o negativo é referente ao
marcador do marcador neutro (água).
Conclusão
A eletroforese em microchips com detecção condutométrica sem contato (C4D)
mostrou-se um método eficaz para a detecção e determinação do teor de lítio, apresentando
bom coeficiente de correlação. Deste modo, este método pode ser empregado na determinação
de íons lítio em amostras reais de pacientes que fazem uso de medicamentos a base de
carbonato de lítio. Em etapas futuras serão realizadas análises a fim de correlacionar outros
íons com diagnóstico de outras doenças.
Referências
[1] P. Kuban and P. C. Hauser, Lab on a Chip 2008, 1829.
[email protected]
Agradecimentos
CAPES, IQ-UFG, CNPq, INCTBio, FAPEG e GME.
Extração de RNA viral em microchip de Poliéster-toner
Thiago D. Gimenez (1), Kézia G. Oliveira (1), Alexandre M. Bailão (2), Luiz Paulo A. Santos (2),
Gabriela R. M. Duarte (1).
1. Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia – GO, Brasil.
2. Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Goiás, Goiânia – GO, Brasil.
Resumo
Os sistemas microfluídicos tem demonstrado ser uma ferramenta analítica poderosa para análise de
DNA e RNA, especialmente para diagnóstico molecular. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de
uma metodologia para o diagnóstico e caracterização molecular do vírus Dengue em dispositivos de poliéstertoner (PeT) totalmente integrado. Na primeira fase do projeto está sendo desenvolvido um procedimento para
extração de RNA viral de uma célula infectada com o vírus Dengue em microchip de PeT. RNA foi extraído com
alto rendimento utilizando um método de extração dinâmica em fase sólida (dSPE) baseado em quatro etapas:
adsorção do RNA em partículas magnéticas, lavagem, desorção e eluição do RNA. Foram coletadas onze
frações, contendo um total de 82 ng de RNA, o equivalente a uma eficiência de extração de 83%. A primeira
fração coletada após o início da eluição é altamente concentrada (14,5 ng. L-1) e demonstrou possuir qualidade
suficiente para análises subsequentes, a RT-PCR.
Palavras-chaves: microchip de poliéster-toner, Dengue, diagnóstico molecular, extração de RNA.
Introdução
As plataformas microfluídicas integradas representam uma nova geração de
dispositivos que podem úteis para muitas aplicações bioanalíticas. Estes dispositivos podem
contribuir para resolver muitos problemas de saúde pública, como por exemplo, diagnóstico
precoce e controle de doenças em tempo reduzido e com menor custo. Os sistemas
microfluídicos, de forma geral, apresentam a oportunidade de automatização da manipulação
de soluções, reduzindo o contato manual com a amostra e diminuindo as possibilidades de
contaminação da mesma [1]. Isso é particularmente importante para trabalhos envolvendo a
manipulação de ácidos nucléicos, uma vez que os riscos de contaminação da amostra são
muito grandes. O ácido ribonucleico (RNA), por exemplo, é facilmente degradado por
enzimas ribonucleases (RNases), enzimas onipresentes, encontradas por exemplo na
superfície da pele humana e em partículas de poeira [2].
Este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia para o diagnóstico e
caracterização molecular do vírus Dengue em um dispositivo microfluídico de poliéster-toner
(PeT) totalmente integrado. O genoma do vírus Dengue consiste de RNA de
aproximadamente 11 kilobases, havendo quatro sorotipos distintos, denominados DENV 1-4.
Eles têm a mesma epidemiologia, mas são antigenicamente diferentes [3].
Em uma primeira etapa, os estudos estão sendo feitos no sentido de se obter uma
metodologia adequada e eficiente para a extração do RNA viral de uma célula infectada em
microchip de PeT. O sucesso desse procedimento representa o primeiro passo para o
desenvolvimento de um microssistema para análises totais (µTAS), em que as etapas de
extração de RNA, transcrição reversa seguida da reação em cadeia da polimerase (RT-PCR) e
separação eletroforética do DNA serão realizadas em um único dispositivo microfluídico
completamente integrado.
Procedimento experimental
Os microchips de poliéster-toner foram fabricados de acordo com a metodologia
descrita por Duarte et al. em 2011 [1]. Os canais e os reservatórios foram criados com o
auxílio de uma cortadora a laser e os filmes foram alinhados e laminados em uma laminadora
operando a 150°C. O volume do canal é de 5 µL.
Para a extração de RNA, utilizou-se inicialmente uma amostra de RNA pré-purificado
e um procedimento de extração em fase sólida dinâmica (dSPE) baseado em quatro etapas: (1)
adsorção do RNA em partículas magnéticas de sílica (MagneSil®), utilizando uma solução de
hidrocloreto de guanidina (GuHCl) 6mol/L, pH 6,1; (2) lavagem com etanol 80%; (3)
desorção do RNA; (4) eluição com água nanopura. Foi adicionado no reservatório de entrada
um total de 99 ng de RNA, dissolvido em GuHCl, pH 6,1. Onze frações foram coletadas a
partir do reservatório de saída, sendo três frações (6 µL no total) coletadas a partir da etapa de
lavagem com etanol, duas (4 µL no total) a partir da substituição do etanol presente no canal
pela água e seis (12 µL no total) a partir da etapa de eluição com água. Todas as frações foram
quantificadas no Fluorímetro Qubit® 2.0, da Invitrogen, de acordo com o protocolo do
fabricante. Após a extração, o RNA extraído no microchip de PeT foi submetido a RT-PCR,
para a amplificação do fragmento de 136 pb.
Resultados e discussão
A extração de RNA pré-purificado no microchip de PeT mostrou-se eficiente, sendo
possível recuperar 82 ng de RNA de 99 ng iniciais, o que equivale a uma eficiência de
extração de 83%. A primeira fração de 2 µL coletada após o início da eluição com água
nanopura foi a que apresentou a maior quantidade de RNA, 29 ng, equivalente a 35% do total
extraído. Além disso, o RNA extraído no microchip de PeT apresentou alta qualidade, ou seja,
foi submetido com sucesso a RT-PCR amplificando um fragmento de 136 pb.
Os próximos passos deste trabalho envolvem o estudo da influência do pH da solução
de hidrocloreto de guanidina na eficiência de extração e a otimização da quantidade de fase
sólida. Além disso, serão utilizadas outros tipos de fase sólida, como por exemplo,
nanopartículas de ferro revestidas com ácido dimercaptossuccínico em substituição às
partículas de Magnesil®. Posteriormente, será feita a extração do RNA do vírus Dengue de
células infectadas.
Conclusões
O microchip de poliéster-toner, um dispositivo microfluídico simples, de baixo custo,
descartável e de fácil fabricação, mostrou-se capaz de extrair RNA com boa eficiência de
extração (83%) e de alta qualidade, ou seja, capaz de ser submetido com sucesso a RT-PCR.
A extração de RNA em microchip de PeT representa a primeira etapa do processo analítico
completo de diagnóstico molecular do vírus Dengue em plataformas microfluídicas.
Referências
[1] G. R. M. Duarte, Analytical Chemistry 83, 13 (2011).
[2] K. A. Hagan, Analytical Chemistry 80, 22 (2008).
[3] R. F. S. Araújo, R. Eletr. De Com. Inf. Inov. Saúde 1, 2 (2007)
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, a CAPES, e ao professor Dr. Paulo César Ghedini, do
Instituto de Ciencias Biológicas da Universidade Federal de Goiás.
e-mail: [email protected]
Microrreatores de papel para ensaios enzimáticos com sistema
de injeção em batelada e detecção amperométrica.
Thiago Miguel G. Cardoso1, Anderson Almeida Dias1, Rafael Melo Cardoso2, Thiago Faria Tormin2, Rodrigo
Alejandro A. Muñoz2, Eduardo Mathias Richter2, Wendell Karlos T. Coltro1.
1
Instituto de Química- Universidade Federal Goiás
2
Instituto de Química- Universidade Federal de Uberlândia
Resumo
Este trabalho descreve a fabricação de microrreatatores em papel para ensaios enzimáticos usando a análise por
injeção em batelada e detecção amperométrica. Os microrreatores foram fabricados na forma de micro-discos
com auxílio de um perfurador de papel. Para demonstrar a funcionalidade do dispositivo proposto, o ensaio
enzimático para detecção de glicose foi realizado a partir da imobilização covalente da enzima glicose oxidase
no papel. A curva analítica entre 0 e 20 mM de glicose forneceu um coeficiente de correlação de 0,993. A
reprodutibilidade entre três microrreatores foi avaliada e obteve-se um desvio padrão relativo (DPR) de 1,4%.
Palavras-Chaves: microrreator enzimático, dispositivo em papel, BIA-DA-SPE.
Introdução
O papel é um material poroso, hidrofílico, biocompatível, maleável, barato, com
disponibilidade global e que pode ser encontrado em diversas espessuras. Dentre as aplicações
já reportadas na literatura, destacam-se o desenvolvimento de sensores, o uso em diagnósticos
clínicos, o monitoramento ambiental e o controle de qualidade de alimentos.1
Métodos modernos de análises aplicáveis em laboratórios de rotina e pesquisa exigem
algumas características como fácil automação, análise de alto rendimento, sensibilidade e
seletividade2. O sistema de análise com injeção em batelada (BIA) com detecção
amperométrica (DA) apresenta as características necessárias para ser considerada um método
moderno de análise. A técnica de BIA-DA com uso de eletrodos impressos (SPE) consiste em
um recipiente com um grande volume de eletrólito (em relação ao volume de amostra injetada),
um chip onde se encontra os três eletrodos impressos (eletrodo de trabalho, auxiliar e
referência) imerso no eletrólito e uma micropipeta eletrônica a qual é posicionada sobre o
eletrodo de trabalho.
Procedimento Experimental
Inicialmente, o papel foi oxidado com periodato de sódio (0,5 M) de modo a converter os
grupos hidroxilas para grupos aldeídos. Em seguida, os discos foram recortados com um
diâmetro de 12,5 mm com o auxílio de um perfurador de papel. Os grupos aldeídos foram
ativados com uma mistura equimolar 0,1 M de etilcarbodiimida (EDC) e hidroxissuccinimida
(NHS) para permitir a ligação covalente da enzima glicose oxidase com a superfície do papel.
Foi adicionado aos micro discos uma alíquota de 50µL da enzima glicose oxidase (GOx), com
concentração de 138 U/mL e manteve o micro disco em repouso por 2,5 horas. Posteriormente
o micro disco foi lavado com 25 mL de água deionizada, para a retirada do excesso de recesso
de reagentes não imobilizados no papel. Em seguida o micro disco foi acondicionado na parte
inferior e interna de uma seringa. Para coletar a fração de volume resultante da reação, um
frasco coletor com capacidade de 1,5 mL foi conectado a seringa. Alíquotas de 50µL da
solução de glicose, preparada em tampão fosfato 200 mM (pH 6,0), foram adicionadas com
uma micropipeta sobre o microdisco, aguardando 5 minutos para ocorrer a reação, em seguida
adicionou-se um volume de 450µL de KCl 0,111M. Após 30 segundos, fez-se a transferência
para o frasco coletor com auxílio de um êmbolo. O produto da reação foi então coletado com
uma micropipeta eletrônica e adicionada na cela eletroquímica em alíquotas de 10 µL. Durante
as injeções na cela eletrônica manteve a solução eletrolítica sob agitação constante. O eletrólito
usado foi uma solução composta pela mistura de KCl 0,1M e tampão fosfato 20 mM pH 6,0. O
potencial aplicado foi de 50 mV. A detecção amperométrica foi realizada no modo
cronoamperométrico em um potenciostato modelo µAutolabIII por meio de um arranjo de três
eletrodos impressos modelo DRP-710. Esse arranjo é composto de um eletrodo de trabalho de
carbono modificado com azul da prússia, um eletrodo de referência de prata e um eletrodo
auxiliar de carbono. A cela eletroquímica possuía uma capacidade de 80 mL para eletrólito.
Resultados e discussão
O sinal negativo nos amperogramas apresentado na Figura 1 representa a redução do
peróxido de hidrogênio. O potencial foi escolhido, pois apresentou maior amplitude de sinal no
voltamograma hidrodinâmico. A Figura 1A mostra a reprodutibilidade deste método, pois este
amperograma mostra 3 discos de papeis diferentes com 3 injeções cada. O produto de reação
analisada foi de 10 mM de glicose. Os resultados obtidos até o momento observamos em
algumas curvas que, o método desenvolvido ainda precisa ser aprimorado, ainda não logramos
um bom fator de correlação. A Figura 1B apresenta o cronoamperograma dos produtos de
reação da glicose injetados no microrreatores e a Figura 1C a curva analítica a partir do
cronoamperograma da Figura 1B.
A)
C)
B)
6
5
i/µA
4
3
2
1
0
5
10
15
R2= 0,987
20
Concentração de glicose (mM)
Figura 1. A) Cronoamperograma mostrando reprodutibilidade de 3 microrreatores diferentes. A concentração de glicose
injetada no microrreator foi de 10 mM e o potencial aplicado foi de 50 mV. DPR= 1,4%. B) Cronoamperograma da análise
do produto de reação da glicose. A concentração apresentada se refere à glicose injetada no microrreator enzimático.
Potencial aplicado foi de 50 mV. C) Curva analítica a partir do cronoamperograma da Figura (B).
Conclusões
O dispositivo proposto demostrou elevado potencial para aplicações clínicas. Embora tenham
sido demonstrados resultados preliminares, o uso de micro discos de papel abre novas
perspectivas instrumentais. A associação com o uso da pipeta eletrônica contribuiu para a
excelente reprodutibilidade obtida e também a maior frequência analítica. Os resultados
preliminares apontam que este que este microrreator terá algumas vantagens em relação aos
métodos convencionais (espectrofotômetro) tais como baixo consumo de amostra,
reaproveitamento das enzimas para várias análises e uma maior frequência analítica.
Referências
(1) Coltro, W. K. T.; de Jesus, D. P.; da Silva, J. A. F.; do Lago, C. L.; Carrilho, E. Electrophoresis 2010, 31, 2487-2498.
(2) da Silva, R. A. B.; Gimenes, D. T.; Tormin, T. F.; Munoz, R. A. A.; Richter, E. M. Anal Methods 2011, 3, 2804-2808.
Email [email protected]
Agradecimentos CNPq, FAPEG e INCTBio.
1
Fabricação de dispositivos de micro fluídica usando a
técnica da impressão 3D
Walter Duarte de Araújo Filho (UNEB); Marcelo Fernandes de Oliveira (CTI); Jorge Vicente
Lopes da Silva (CTI); Luciana Martins Pereira de Araújo (UTFPR)
RESUMO
Atualmente a técnica mais utilizada na fabricação de dispositivos de micro fluídica é a micro
litografia. A técnica de impressão 3D utilizada na fabricação de dispositivos de micro
fluídica constitui uma alternativa viável em relação à técnica da micro litografia, uma vez
que ela tem a capacidade de fabricar dispositivos em uma única etapa, além de dispensar os
procedimentos adicionais relativos às adaptações das interfaces, aliado ainda à capacidade
de produzir dispositivos com canais de seções circulares. Neste trabalho e apresentado um
dispositivo de micro fluídica fabricado segundo a técnica de impressão 3D. Ele foi testado em
ensaios experimentais para a produção de micro bolhas monodispersas visando aplicações
clínicas.
Palavras-chaves: Micro bolhas, micro fluídica, impressão 3D.
1. Introdução
A micro fluídica surgiu no final da década de 1970, como parte da tecnologia responsável
pelo desenvolvimento de sistemas micro eletromecânicos (MEMS), utilizando a infraestrutura
e as técnicas de fabricação estabelecidas na microeletrônica [1]. Inicialmente, utilizou-se o
silício como substrato para a fabricação de microssistemas, porém, nas ultimas décadas este
tem sido substituído por outros materiais como o vidro, polímeros diversos e materiais
cerâmicos [2].Atualmente a técnica mais utilizada para a fabricação de dispositivos micro
fluídicos é a micro litografia[3]. Esta técnica consegue fabricar dispositivos com canais de
perfis retangulares, triangulares e semicirculares de dimensões da ordem de dezenas de
micrometros, mas necessita de procedimentos adicionais de adaptação das conexões da
microescala para a macro escala sem vazamentos, o que torna o procedimento muito
minucioso e complexo. A técnica da impressão 3D possibilita a fabricação de dispositivo
micro fluídicos em uma única etapa a um custo menor por unidade fabricada, o que a torna
competitiva comparada com as outras técnicas existentes, mais especificamente a micro
litografia. Aliado a isso, ela suprime os procedimentos adicionais de adaptação das conexões,
além de produzir canais de seções circulares. Os resultados experimentais mostraram a
eficiência operacional destes dispositivos em relação à resistência, transparência e praticidade.
2. Procedimento Experimental
Os projetos dos dispositivos foram desenvolvidos em uma ferramenta CAD no ambiente Solid
Works no formato SLDPRT e exportado para o formato STL, e fabricados através da
tecnologia MUM em uma impressora 3D Objet Connex 350 utilizando a resina translúcida
Fullcure 720. Após a fabricação, os dispositivos foram imersos por 24 horas em uma solução
de hidróxido de sódio a 10% para a dissolução do suporte de preenchimento dos canais no
processo de impressão 3D. Depois, os protótipos foram lavados e polidos para aumentar o
grau de transparência.
3. Resultados
A Figura 1 apresenta o dispositivo micro fluídico fabricado e o detalhe da geometria interna
da microestrutura dos canais.
Figura1. (a) Dispositivo micro fluídico fabricado segundo a técnica de impressão 3D. (b) Detalhe da
geometria dos canais com o acoplamento de um micro capilar.
4. Conclusão e discussão
Os dispositivos fabricados segundo a técnica de impressão 3D atendeu as expectativas. Com
esta técnica, foi produzido em uma única etapa, um dispositivo resistente, com canais internos
de seções circulares e já adaptados às conexões de alimentação. Entretanto esta técnica de
fabricação só entrega dispositivos com canais de até 300 m, o que representa uma limitação
em relação à micro litografia. Esta limitação pode ser contornada com a adaptação de micro
capilares nos canais. Este dispositivo foi utilizado para a produção de micro bolhas
monodispersas como transportadoras de fármacos visando aplicações clinicas [4].
5. Referências
[1] LIN, G.; LEE, A. P. Microfluidics: an emerging technology for food and health science.
Ann N Y AcadSci, v. 1190, p. 186-192, 2010.
[2] BRESLAUER, D. N. et al. Microfluidics-based systems biology. Molecular Biosystems,
v. 2, n. 2, p. 97-112, 2006.
[3] THOMPSON, L. F. et al. Introduction to microlithography: theory, materials, and
processing. The Society, 1983.
[4] FILHO, W. D. A et al. Evaluation of stability and size distribution of sunflower oil-coated
micro bubbles for localized drug delivery, BioMedical Engineering OnLine, 11:71,
2012.
6. Agradecimentos.
A Universidade do Estado da Bahia (UNEB), ao Centro de Tecnologia da Informação Renato
Archer (CTI) e Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
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