Microfluidica su carta

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Per microfluidica su carta (paper-based microfluidics) si intende lo sviluppo di dispositivi a microfluidi su carta cominciato agli inizi del Terzo millennio per venire incontro alla necessità di sistemi di diagnosi clinica portatili, economici e semplici da utilizzare. Tali dispositivi in genere consistono in una serie di fibre di cellulosa idrofile o di nitrocellulosa che guidano il liquido da un'entrata ad un'apposita uscita tramite imbibizione.

Struttura del dispositivo[modifica | modifica wikitesto]

Generalmente un dispositivo su carta di questo tipo è costituito dalle seguenti regioni:[1]

  • Entrata (inlet): un substrato (tipicamente cellulosa) dove i liquidi vengono depositati.
  • Canali (channels): reti idrofile di dimensioni sub-millimetriche che guidano il liquido attraverso il dispositivo.
  • Barriere (barriers): regioni idrofobiche che impediscono al liquido di fuoriuscire dal canale.
  • Uscite (outlets): punti dove una reazione (bio)chimica ha luogo.

Flusso attraverso il dispositivo[modifica | modifica wikitesto]

La carta è un mezzo poroso in cui il fluido viene trasportato principalmente tramite traspirazione (wicking) ed evaporazione.[2] Il flusso capillare durante l'umidificazione si può approssimare tramite l'equazione di Washburn,[3] derivata dalla legge di Jurin e dall'equazione di Hagen-Poiseuille.[4] La velocità media del fluido viene generalizzata come segue:

dove è la tensione superficiale, l'angolo di contatto, la viscosità e è la distanza percorsa dal liquido. Modelli più approfonditi tengono conto del raggio dei pori, della tortuosità della carta[5] e della sua deformazione nel tempo.[6]

Una volta che il mezzo è completamente bagnato, il flusso diventa laminare e segue la legge di Darcy.[7] La velocità media del flusso di liquido è generalizzata come:

dove è la permeabilità del mezzo e è il gradiente di pressione.[8] Una conseguenza del flusso laminare è che il mescolamento è difficile ed è basato solamente sulla diffusione, che è più lenta nei sistemi porosi.[9]

Tecniche di manifattura[modifica | modifica wikitesto]

I dispositivi a microfluido si possono preparare usando varie tecniche.[10] Ogni tecnicha punta a creare barriere fisiche ed idrofobiche su una carta idrofila che trasporta passivamente soluzioni acquose.[11] I reagenti chimici e biologici devono essere depositati selettivamente lungo il dispositivo immergendo il substrato in una soluzione del reagente o depositando un reagente sopra il substrato.[12]

Wax printing[modifica | modifica wikitesto]

La stampa a cera o "wax printing" usa una semplice stampante per modellare la cera sulla carta a piacimento. La cera viene poi sciolta sopra una piastra riscaldante al fine di creare i canali.[13] Questa tecnica è veloce e a basso costo, ma ha una risoluzione relativamente bassa a causa della non isotropia della cera sciolta.

Inkjet printing[modifica | modifica wikitesto]

La stampa a getto di inchiostro o "inkjet printing" richiede una carta rivestita da un polimero idrofobico. Si piazza poi un inchiostro che incide il polimero rivelando la carta sottostante.[14] Questo metodo è economico e ad alta risoluzione, ma è limitato dalla velocità di deposizione delle gocce di inchiostro (in genere una goccia per volta).

Fotolitografia[modifica | modifica wikitesto]

Le tecniche fotolitografiche sono simili alla stampa a getto di inchiostro e usano una fotomaschera (photomask) per incidere selettivamente un polimero di fotoresist.[15] Questa tecnica garantisce alta risoluzione e velocità, tuttavia l'apparecchiatura richiesta così come i materiali non la rendono molto economica.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Panoramica[modifica | modifica wikitesto]

Il vantaggio principale di dispisitivi a microfluido su carta rispetto a quelli tradizionali è il loro uso direttamente sul campo piuttosto che in laboratorio.[16][17] La carta da flltro è molto vantaggiosa a questo proposito perché è capace di rimuovere i contaminanti dal campione e prevenire che si diffondano nel microcanale. Questo significa che le particelle non inibiscono l'accuratezza delle analisi su carta quando questi dispositivi sono usati all'aperto.[17] Questi dispositivi sono inoltre molto piccoli (dell'ordine dei centimetri)[17][18][19] rispetto ad altre piattaforme come quelli a goccia di liquido.[20][21] Per via della loro piccola taglia e lunga durabilità, i dispositivi qui descritti sono portatili e convenienti.[16][17]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) Jean Berthier, Kenneth A. Brakke e Erwin Berthier, Open Microfluidics, John Wiley & Sons, Inc., 2016, pp. 229–256, DOI:10.1002/9781118720936.ch7/summary, ISBN 978-1-118-72093-6.
  2. ^ (EN) Chandra K. Dixit e Ajeet Kaushik, Microfluidics for Biologists: Fundamentals and Applications, Springer, 13 ottobre 2016, ISBN 978-3-319-40036-5.
  3. ^ (EN) Reza Masoodi e Krishna M. Pillai, Wicking in Porous Materials: Traditional and Modern Modeling Approaches, CRC Press, 26 ottobre 2012, ISBN 978-1-4398-7432-5.
  4. ^ Edward W. Washburn, The Dynamics of Capillary Flow, in Physical Review, vol. 17, n. 3, 1º marzo 1921, pp. 273–283, DOI:10.1103/PhysRev.17.273.
  5. ^ (EN) Jianchao Cai e Boming Yu, A Discussion of the Effect of Tortuosity on the Capillary Imbibition in Porous Media, in Transport in Porous Media, vol. 89, n. 2, 1º settembre 2011, pp. 251–263, DOI:10.1007/s11242-011-9767-0, ISSN 0169-3913 (WC · ACNP).
  6. ^ (EN) Jean Berthier e Kenneth A. Brakke, The Physics of Microdroplets - Berthier - Wiley Online Library, DOI:10.1002/9781118401323.
  7. ^ (EN) Adrian Bejan, Convection Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., 2013, pp. i–xxxiii, DOI:10.1002/9781118671627.fmatter/pdf, ISBN 978-1-118-67162-7.
  8. ^ (FR) Henry Darcy, Les fontaines publiques de la ville de Dijon. Exposition et application des principes à suivre et des formules à employer dans les questions de distribution d'eau: ouvrage terminé par un'appendice relatif aux fournitures d'eau de plusieurs villes au filtrage des eaux et à la fabrication des tuyaux de fonte, de plomb, de tole et de bitume, Dalmont, 1856.
  9. ^ (EN) Diffusion in Natural Porous Media - Contaminant Transport, | Peter Grathwohl | Springer.
  10. ^ (EN) Paper microfluidic devices : A review 2017 - Elveflow, in Elveflow. URL consultato il 6 febbraio 2018.
  11. ^ (EN) Francisco José Galindo-Rosales, Complex Fluid-Flows in Microfluidics, Springer, 26 maggio 2017, ISBN 978-3-319-59593-1.
  12. ^ (EN) Kentaro Yamada, Hiroyuki Shibata, Koji Suzuki e Daniel Citterio, Toward practical application of paper-based microfluidics for medical diagnostics: state-of-the-art and challenges, in Lab on a Chip, vol. 17, n. 7, 29 marzo 2017, DOI:10.1039/C6LC01577H, ISSN 1473-0189 (WC · ACNP).
  13. ^ Emanuel Carrilho, Andres W. Martinez e George M. Whitesides, Understanding Wax Printing: A Simple Micropatterning Process for Paper-Based Microfluidics, in Analytical Chemistry, vol. 81, n. 16, 15 agosto 2009, pp. 7091–7095, DOI:10.1021/ac901071p, ISSN 0003-2700 (WC · ACNP).
  14. ^ (EN) Kentaro Yamada, Terence G. Henares, Koji Suzuki e Daniel Citterio, Paper-Based Inkjet-Printed Microfluidic Analytical Devices, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 54, n. 18, 27 aprile 2015, pp. 5294–5310, DOI:10.1002/anie.201411508, ISSN 1521-3773 (WC · ACNP).
  15. ^ (EN) Development of paper-based microfluidic analytical device for iron assay using photomask printed with 3D printer for fabrication of hydrophilic and hydrophobic zones on paper by photolithography, in Analytica Chimica Acta, vol. 883, 9 luglio 2015, pp. 55–60, DOI:10.1016/j.aca.2015.04.014, ISSN 0003-2670 (WC · ACNP).
  16. ^ a b Xu Li, David R. Ballerini e Wei Shen, A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends, in Biomicrofluidics, vol. 6, n. 1, 2 marzo 2012, pp. 011301–011301–13, DOI:10.1063/1.3687398, ISSN 1932-1058 (WC · ACNP), PMC 3365319, PMID 22662067.
  17. ^ a b c d Andres W. Martinez, Scott T. Phillips, Manish J. Butte e George M. Whitesides, Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays, in Angewandte Chemie (International Ed. in English), vol. 46, n. 8, 2007, pp. 1318–1320, DOI:10.1002/anie.200603817, ISSN 1433-7851 (WC · ACNP), PMC 3804133, PMID 17211899.
  18. ^ Xiaoxi Yang, Omid Forouzan, Theodore P. Brown e Sergey S. Shevkoplyas, Integrated separation of blood plasma from whole blood for microfluidic paper-based analytical devices, in Lab on a Chip, vol. 12, n. 2, 21 gennaio 2012, pp. 274–280, DOI:10.1039/c1lc20803a, ISSN 1473-0189 (WC · ACNP), PMID 22094609.
  19. ^ Jinghua Yu, Lei Ge, Jiadong Huang, Shoumei Wang e Shenguang Ge, Microfluidic paper-based chemiluminescence biosensor for simultaneous determination of glucose and uric acid, in Lab on a Chip, vol. 11, n. 7, 7 aprile 2011, pp. 1286–1291, DOI:10.1039/c0lc00524j, ISSN 1473-0189 (WC · ACNP), PMID 21243159.
  20. ^ Jenifer Clausell-Tormos, Diana Lieber, Jean-Christophe Baret, Abdeslam El-Harrak, Oliver J. Miller, Lucas Frenz, Joshua Blouwolff, Katherine J. Humphry e Sarah Köster, Droplet-based microfluidic platforms for the encapsulation and screening of Mammalian cells and multicellular organisms, in Chemistry & Biology, vol. 15, n. 5, maggio 2008, pp. 427–437, DOI:10.1016/j.chembiol.2008.04.004, ISSN 1074-5521 (WC · ACNP), PMID 18482695.
  21. ^ Jean-Christophe Baret, Oliver J. Miller, Valerie Taly, Michaël Ryckelynck, Abdeslam El-Harrak, Lucas Frenz, Christian Rick, Michael L. Samuels e J. Brian Hutchison, Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity, in Lab on a Chip, vol. 9, n. 13, 7 luglio 2009, pp. 1850–1858, DOI:10.1039/b902504a, ISSN 1473-0197 (WC · ACNP), PMID 19532959.
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