Techniki mikroprzepływowe, czyli chemia w...kropelce - Artykuły naukowe

Komputer oraz telefon komórkowy to wspaniałe przykłady miniaturyzacji, która nastąpiła w elektronice w ciągu ostatnich kilku dekad. Telefon komórkowy, który większość z nas nosi w kieszeni i wręcz nie wyobraża bez niego życia, zaczynał swoją karierę jako duża i nieporęczna walizka. Komputer jeszcze w latach 50. XX wieku zajmował cały pokój, a obecnie jest kilkaset razy mniejszy, przy tym jego możliwości obliczeniowe są tysiące razy większe.

Ostatnie 20 lat przyniosło podobną rewolucję w chemii. Jeszcze do niedawna zapytani o laboratorium chemiczne zaczęlibyśmy opowiadać o stołach zastawionych szkłem, sprzętem do chemii analitycznej, mieszadłach magnetycznych oraz nieodzownych wyciągach. Już niedługo cały pokój może zostać zminiaturyzowany do urządzenia, które będzie można położyć na dłoni dzięki technikom mikroprzepływowym.

Każdy z nas ma do czynienia z cieczami, np. nalewając wodę do wanny, przygotowując herbatę lub też wymieniając olej w samochodzie. Zachowanie cieczy w mikroskali jest jednak odmienne od tego, do czego przywykliśmy w życiu codziennym. W kanałach o grubości ludzkiego włosa (50–100 mikrometrów) przepływ cieczy ma charakter laminarny – nie występują w nim turbulencje, czyli wiry. Dwa strumienie mogą płynąć obok siebie i mieszać się wyłącznie w procesie dyfuzji. Taki przepływ, choć wygląda spektakularnie i pięknie, jest umiarkowanie interesujący dla inżynierów. Okazało się jednak, że w tych samych kanałach, stosując specjalną geometrię można „ciąć” jeden strumień za pomocą drugiego i w konsekwencji wytwarzać kropelki o precyzyjnie kontrolowanych wymiarach i składzie chemicznym.

Urządzenie mikroprzepływowe (inaczej mikrofluidyczne) jest wykonane z dwóch płytek poliwęglanowych. W jednej z nich znajdują się kanały o szerokości i głębokości 100 mikrometrów, które wyfrezowano za pomocą frezarki sterowanej numerycznie (CNC). Druga płytka, w której nie ma kanałów, służy do zamknięcia układu. Zamknięcie odbywa się poprzez termicznie zgrzanie poliwęglanu w prasie, w której obie płytki poddawane są działaniu wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. W chipie wywiercone są otwory o średnicy poniżej 1 mm, poprzez które dostarcza się reagenty oraz odprowadza produkty reakcji.

Techniki mikroprzepływowe rozwijają się w dwóch głównych kierunkach: w pierwszym wykorzystuje się właściwości cieczy płynących w kanałach w sposób ciągły (przepływ laminarny), w drugim – właściwości kropelek wody, które uzyskuje się, tnąc strumienie wody w układach mikroprzepływowych o specjalnej geometrii. Ten drugi kierunek szczególnie interesuje naukowców, gdyż ma wiele potencjalnych zastosowań. Wytworzona kropelka może służyć jako miniaturowy reaktor chemiczny o objętości pikolitrów, co powoduje znaczną redukcję zużycia reagentów, poprawia bezpieczeństwo pracy (np. utrudnia kontakt z substancjami toksycznymi zamkniętymi w kropelkach) oraz znacząco poprawia kontrolę nad warunkami reakcji. Kropelkami zainteresowali się także biochemicy i biotechnologowie. W kropelce można zamknąć pojedyncze bakterie, następnie do kropelki dodawać antybiotyk i wyznaczyć krytyczne stężenie antybiotyku potrzebnego do uśmiercenia bakterii. Wszystkie operacje potrzebne do optymalnego wyznaczenia stężenia antybiotyku wykonuje się na pojedynczym urządzeniu mikroprzepływowym: w jednym jego miejscu tworzy się kroplę z bakteriami, w innym kroplę z antybiotykiem, następnie łączy się obie krople za pomocą pola elektrycznego. Kropla ta zawiera zarówno bakterie, jak i antybiotyk. W tym samym urządzeniu mikroprzepływowym znajdują się podłączenia do światłowodów, dzięki którym można w czasie rzeczywistym monitorować wzrost i zachowanie bakterii.

Technika mikroprzepływowa umożliwia wytworzenie w ciągu sekundy nawet kilkadziesiąt kropelek, dzięki czemu badania, które wcześniej trwały całymi miesiącami, można zrealizować w ciągu kilku dni.

Tekst: dr Tomasz Szymborski