Mikrofluidistiikka

Mikrofluidistiikka on mikroskooppisten neste- ja kaasuvirtausten hallintaa käsittelevä tieteen ja tekniikan ala. Mikrosysteemitekniikka on laajempi käsite, joka sisältää myös mikrofluidistiikan.

Mikrofluidistiset sirut valmistetaan mikroteknologian keinoin pii-, lasi- tai polymeerikiekoille. Tyypilliset tilavuudet ovat nano- ja pikolitroja, ja virtausnopeudet nano- ja mikrolitroja minuutissa. Mikrofluidistiikassa rakenteiden tyypillinen koko on kymmeniä mikrometrejä. Makromaailmaan verrattuna mikromaailmassa eri ilmiöt ovat tärkeitä, muun muassa pintajännitys ja kapillaarivoimat ovat vahvoja, kun taas painovoiman vaikutus voidaan jättää huomiotta (jolloin sirut toimivat esimerkiksi yhtä hyvin ylösalaisin asennettuina). Lähes kaikki virtaukset mikromaailmassa ovat laminaarisia, mikä tarkoittaa hallittuja virtauskenttiä, mutta toisaalta sekoittumisen hitautta. Toisaalta diffuusio on nopeaa, sillä etäisyydet ovat pieniä.

Terminologiaa

Mikrofluidistiikan rinnalla käytetään paljon seuraavia termejä:

• MicroTAS, micro total analysis systems, erityisesti kemialliset sirut
• lab-on-a-chip, integroidun piirin nestevastine, monien fluiditoimintojen integrointi samalle sirulle
• BioMEMS, sillä useimmat biologiset systeemit ovat nestefaasissa, mutta tarkasti ottaen BioMEMS edellyttää mekaanisia liikkuvia osia, kuten DNA-pinseteissä tai mekaanisissa bioantureissa. Kuitenkin mikrofluidistisissa kanavissa virtaavat solut ja biomolekyylit, joille tehdään aktiivisia operaatiota kuten suodatusta, reaktioita tai detektiota, lasketaan mikrofluidistiikkaan
• power-MEMS komponenteissa on usein fluidi, kuten höyrykoneissa, rakettimoottoreissa, polttokennoissa, mutta on myös paljon ei-fluidistisia power-MEMS laitteita, kuten aurinkokennoja, radioaktiivista säteilyä tai ympäristön värähtelyjä tai hukkalämpöä hyödyntävät energiakeräimet
• mikroarrayt, muun muassa DNA-sirut, lasketaan usein mikrofluidistiikkaan, mutta niissä iso (mikrolitroja) nestepisara annostellaan staattisen näytespotin päälle, kun mikrofluidistiikassa nestettä liikutellaan sirulla annostelun jälkeen
• kemialliset anturit voivat käyttää samoja detektioperiaatteita kuin mikrofluidistiset sirut, mutta yleensä (mikro)anturi upotetaan isoon fluiditilavuuteen, kun taas mikrofluidistiikassa erittäin pieni nestemäärä annostellaan sirulle.

Termit

• surface microfluidics
• droplet microfluidics
• EWOD (electrowetting on dielectric)
• digital microfluidics

ovat synonyymejä, ja tarkoittavat pisaroiden liikuttelua kiekon pinnalla (vastakohtana kanavissa tapahtuvalle virtaukselle).

Nanofluidistiikassa kanavien, suuttimien ja suodattimien koot ovat 10 nm -1 µm. Nanofluidistiikassa rakenteiden ja molekyylien koko ovat samaa suuruusluokkaa, ja syntyy uusia ilmiöitä joita mikrofluidistiikassa ei nähdä. Esimerkiksi paineavusteisessa virtauksessa pienet partikkelit virtaavat hitaammin kuin suuret, sillä suuret partikkelit viettävät kaiken aikansa virtauksen keskiakselilla, jossa nopeus on suurin.

Historia

Varhaisimmat mikrofluidistiset komponentit 1960-luvulla liittyivät ydintekniikkaan: uraanin diffuusioerotus, EMP-kestävät nesteillä toteutetut logiikkapiirit ja radioaktiivisten aineiden nopeat analyysit. 1970-luvulla Stanfordin yliopistossa Steven Terry valmisti väitöskirjassaan piikiekolle kaasukromatografin, jossa yhdistyivät injektio, erotuskanavat ja terminen detektori. Suomalainen Niilo Kaartinen kehitti 1980-luvulla mikroelektrotermofluidistiikaksi (METF) kutsuttua tekniikkaa, jossa kylmäblokkiin kytketty fluidipiiri jäätyi, ja jäätynyt neste toimi itse itsensä venttiilinä, joka voitiin avata lämmittämällä halutusta kohdasta kanavistoa.

Laajempaa mielenkiintoa mikrofluidistiikka synnytti vasta 1990-luvun alussa Andreas Manzin tutkimusryhmän julkaistua kapillaarielektroforeesisirut lasikiekolla. Ensimmäinen mikrofluidistiikan erikoiskonferenssi MicroTAS pidettiin 1994 Enschedessä, Hollannissa. Katso MicroTAS konferenssi (Arkistoitu – Internet Archive).

Tieteet mikrofluidistiikan taustalla

Mikrofluidistiikka on vahvasti poikkitieteellistä. Mikroteknologian valmistusmenetelmiä (optinen litografia, printtaus, etsaus (valmistustekniikka), bondaus) käyttäen tehdään siruille kanavistoja, suodattamia, venttiilejä, pumppuja, suuttimia ja muita mikrorakenteita. Pintaominaisuuksia, muun muassa hydrofiilisyyttä tai -fobisuutta, säädetään monilla kemiallisilla märkäkäsittelyillä (esimerkiksi NaOH huuhtelu, Teflon-spray), ohutkalvojen ja molekyylikerroskalvojen (SAM, self-assembled monolayers) kasvatuksella tai plasmakäsittelyillä (esimerkiksi happiplasmaoksidoinnilla). Fysiikka ja virtausmekaniikka käsittelevät fluidien virtaus-, diffuusio-, ja lämmönsiirto-ominaisuuksia. Kolloidikemia käsittelee pienten (alle 100 nm) partikkeleiden ja pintojen vuorovaikutuksia. Kemiaa ja biologiaa tarvitaan lukuisissa sovelluksissa, sillä monet ilmiöt riippuvat herkästi olosuhteita, muun muassa pintojen sähköinen varautuminen on pH- ja lämpötilariippuvaa, samoin kuin proteiinien denaturaatio.

Sovellukset

Mikrofluidistiikalla on suuri joukko sovellusalueita:

-kemiallinen analyysi (kapillaarielektroforeesi, kromatografia, massaspektrometria)

-kemiallinen synteesi (mikroreaktorit ja kombinatoriaalinen kemia)

-tietotekniikka (mustesuihkutulostus, elektroninen paperi, nestelogiikka)

-lääketiede ja biotekniikka (DNA PCR, biomolekyylien erotus ja tunnistus; solujen trapping, muokkaus ja analyysi)

-energia (polttoainesuuttimet, mikrogeneraattorit, mikropolttokennot)

Kirjoja

• Tabeling: Introduction to Microfludics
• Nguyen & Wereley: Fundamentals and applications of microfluidics
• Geschke, Klank, Tellemann: Microsystem Engineering of Lab-on-a-Chip Devices

Lehtiä

• Lab-on-a-Chip, Royal Society of Chemistry
• Microfluidics Nanofluidics, Springer^{[vanhentunut linkki]}
• Analytical Chemistry, ACS
• Sensors and Actuators A: Physical, Elsevier
• Sensors and Actuators B: Chemical, Elsevier
• Journal of Micromechanics and Microengineering, IOP^{[vanhentunut linkki]}
• Journal of MicroElectroMechanicalSystems, JMEMS, (IEEE & ASME)

Konferensseja

• MicroTAS konferenssi (Arkistoitu – Internet Archive).