Sistema de fluxo acústico de base polimérica para aplicações microfluídicas

Abstract

A tecnologia microfluídica tornou-se uma ferramenta de extrema importância na área das análises (bio)químicas devido às vantagens inerentes que advêm das suas reduzidas dimensões, tais como portabilidade, redução do tempo de análise e da quantidade de reagentes químicos, assim como potencial para realizar varias análises em paralelo. Contudo, esta tecnologia apresenta algumas limitações, nomeadamente na mistura de fluidos que, devido ao regime de fluxo laminar presente nas estruturas microfluídicas, pode tornar-se demorada. Entre as diferentes abordagens para ultrapassar esta limitação, uma de elevado interesse, devido ao seu baixo custo de fabrico, fácil processamento e integração, diz respeito à utilização do fenómeno denominado por fluxo acústico. Este mecanismo constitui um dos pontos centrais do presente trabalho, em que as ondas acústicas geradas por um transdutor piezoelétrico colocado na base da estrutura microfluídica permitem acelerar a mistura de fluídos. A presente tese estuda a viabilidade e o desempenho do fluxo acústico na mistura de fluidos à microescala, baseado num transdutor piezoelétrico de base polimérica. A escolha deste tipo de material advém das suas vantagens comparativamente aos cerâmicos e cristais piezoelétricos, comumente utilizados neste tipo de aplicações. Os transdutores piezoelétricos de base polimérica conseguem combinar as características de um plástico, tais como fácil processamento, flexibilidade, maleabilidade e baixo custo, com as de um elemento piezoelétrico. Adicionalmente, podem ser facilmente obtidos na forma de filmes e apresentar uma elevada transmitância em todo o espectro de luz visível. Por último, exibem uma baixa impedância acústica e mecânica, similar aos líquidos, pelo que poderão não necessitar de camadas de acoplamento adicionais. O transdutor desenvolvido é composto por um filme piezoelétrico de poli(fluoreto de vinilideno-trifluoretileno) (P(VDF-TrFE)) com 25 μm de espessura e elétrodos de óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) com 85 nm de espessura, em ambas as superfícies do filme piezoelétrico. Estes materiais foram selecionados após a realização de um conjunto de estudos de processamento e caracterização de filmes piezoelétricos de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e de P(VDF-TrFE), e óxidos condutores transparentes (TCO) tais como o óxido de índio dopado com estanho (ITO), o óxido de zinco dopado com gálio (GZO) e o AZO. O transdutor apresenta um coeficiente piezoelétrico de 34 pC.N-1 e uma transmitância superior a 75% em todo o espetro de luz visível. Os elétrodos inferior e superior apresentam uma resistividade de 3.5 10-3 Ω.cm e 11.3 10-3 Ω.cm, respetivamente. Um circuito de adaptação elétrico foi desenvolvido de forma a otimizar a resposta elétrica do sistema na frequência de ressonância do transdutor, que se situa nos 48 MHz. A eficiência do fluxo acústico, baseado no transdutor piezoelétrico de P(VDF-TrFE), foi estudada recorrendo a dois kits de diagnóstico clínico de ácido úrico e nitrito. Os ensaios foram realizados no interior de uma estrutura microfluídica em polidimetilsiloxano (PDMS) com uma câmara de reação com 1 mm2 de área e 500 μm de espessura. No que diz respeito aos ensaios de ácido úrico, a utilização do fluxo acústico reduziu o tempo de mistura em aproximadamente 23%, comparativamente à mistura dos fluidos por difusão. Neste caso, o aquecimento de 30ºC gerado pelo transdutor teve um papel relevante visto a quantificação desta biomolécula envolver reações endotérmicas. Deste modo, o fluxo acústico aliado ao aquecimento intrínseco a este fenómeno pode acarretar grandes benefícios em algumas aplicações (bio)químicas. Relativamente aos ensaios de nitrito, um ganho de aproximadamente 32% foi obtido, devendo-se exclusivamente ao fluxo acústico, visto envolver reações que não são favorecidas pelo aquecimento gerado pelo transdutor piezoelétrico. Em ambos os casos, os ganhos correspondem à aplicação de um sinal elétrico sinusoidal, aos contactos do transdutor piezoelétrico, com amplitude Vpp de 10 V e frequência de 48 MHz. O efeito do aquecimento e do fluxo acústico podem ser controlados pelo desenho adequado do transdutor e pelas características do sinal elétrico. Deste modo, esta tese constitui um contributo no sentido de elevar os patamares de eficiência na mistura de fluidos com o intuito de melhorar o desempenho global de sistemas de análises miniaturizados e de permitir novas áreas de aplicação.

Microfluidic technology has become an important tool in (bio)chemical analysis due to its intrinsic advantages deriving from the small dimensions, such as portability, reduced analysis time and amount of chemicals used, and possibility of performing several analysis simultaneously. However, this technology also presents some limitations. The fluid mixing can become time consuming due to the laminar flow regime present in the micrometer fluidic structures. Among the different approaches to overcome this limitation, one with large interest due to its low manufacturing cost, easy processing and integration, is related to the phenomenon called acoustic streaming. This mechanism is one of the main issues of this work, in which the acoustic waves generated by a piezoelectric transducer placed underneath the microfluidic structure allow to accelerate the fluid mixture. This thesis is devoted to the investigation of the feasibility and performance of acoustic streaming for the mixture of fluids at the microscale, generated with a polymer-based piezoelectric transducer. The choice of such material derives from its advantages as compared to piezoelectric ceramics and crystals, commonly used in these applications. Polymer-based piezoelectric transducers combine the characteristics of plastics, such as easy processing, flexibility, ductility and low cost, with the necessary piezoelectric properties. Additionally, they can be easily obtained in the form of films and reveal high transmittance in the visible spectral range. Finally, they exhibit low mechanical and acoustic impedances and, therefore, may not require additional coupling layers for the developed microfluidic application. The fabricated transducer comprises a 25 μm thick piezoelectric film of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) with 85 nm thick electrodes of aluminium-doped zinc oxide (AZO) on both sides of the piezoelectric film. These materials were selected after several processing and characterization studies of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and P(VDF-TrFE) piezoelectric films as well as transparent conductive oxides (TCO) of indium tin oxide (ITO), gallium-doped zinc oxide (GZO) and AZO. The transducer is characterized by a piezoelectric coefficient of 34 pC.N-1 and a transmittance higher than 75% throughout the visible light spectrum. The bottom and top electrodes have electrical resistivities of 3.5 10-3 Ω.cm and 11.3 10-3 Ω.cm, respectively. An electrical circuit was developed to optimize the electrical response of the system at the transducer resonance frequency of 48 MHz. The efficiency of the acoustic streaming phenomenon of the piezoelectric P(VDF-TrFE) transducer was studied by means of two diagnostic kits based on uric acid and nitrite. The experiments were performed within a microfluidic structure in polymethylsiloxane (PDMS) comprising a reaction chamber with an area of 1 mm2 and a thickness of 500 μm. Regarding the tests with uric acid, the acoustic streaming reduced the mixture time by approximately 23% as compared to the mixture of the fluids by diffusion. In this case, the heating of 30ºC generated by the transducer played an important role, since the quantification of this biomolecule involves endothermic reactions. Therefore, the acoustic streaming together with the heating intrinsic to this phenomenon can be taken for advantage in some (bio)chemical applications. Concerning the study with nitrite, a gain of approximately 32% was obtained, being exclusively ascribed to the effect of the acoustic streaming, since the reactions involved are not affected by the heating generated by the piezoelectric transducer. In both cases, the gains correspond to the application of a sinusoidal signal to the contacts of the piezoelectric transducer, with a peak-to-peak voltage amplitude of 10 V and a frequency of 48 MHz. The heating and acoustic streaming contribution can be controlled by the proper design of the transducer and the characteristics of the electrical signal. Thus, this thesis represents a contribution in order to raise the efficiency of the mixture of fluids to improve the overall performance of miniaturized analysis systems and to allow new application areas.