Development and characterization of alternative methods for prototyping of microfluidic devices in poly(methyl methacrylate) (PMMA)
| Autor: | Lobo Júnior, Eulício de Oliveira |
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| Přispěvatelé: | Coltro, Wendell Karlos Tomazelli, Rubio, Mario Ricardo Gongora, Silva, José Alberto Fracassi da, Piccin, Evandro, Duarte, Gabriela Rodrigues Mendes |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2020 |
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| Zdroj: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFG Universidade Federal de Goiás (UFG) instacron:UFG |
| Popis: | Esta tese descreve primariamente um processo não convencional e econômico de estampagem macia para a produção de dispositivos microfluídicos em poli (metil metacrilato) (acrílico). Este processo foi desenvolvido com intuito de atender a demanda de pesquisadores interessados em produzir e desenvolver seus próprios sistemas microfluídicos com as configurações desejadas. Basicamente para a produção destes dos dispositivos, a estrutura microfluídica de interesse foi fotogravada em um filme de poli (vinil acetato) (PVAc) depositado sobre uma superfície de vidro para produção de um molde primário. Em seguida este molde foi utilizado para produzir um molde secundário em alto relevo de PDMS endurecido (S-PDMS), que foi obtido pelo aumento da proporção de agente de cura/monômero (1:5) seguido de envelhecimento térmico em estufa (200 ºC por 24 h). Em seguida o molde de S-PDMS foi utilizado para moldagem dos dispositivos microfluídicos em PMMA via estampagem macia a (220-230 ºC) e selagem térmica a 140 ºC. Tanto os processos de moldagem e selagem foram realizados empregando-se clipes metálicos para realização de pressão. O protocolo proposto assegurou a moldagem dos dispositivos de PMMA com excelente fidelidade (> 94%). Com a técnica desenvolvida foram produzidos microsistemas eletroforéticos (MSE), dispositivos geradores de microgotas e placas com micropoços. Estes dispositivos foram testados nas respectivas técnicas analíticas apresentando resultados promissores. Especificamente, para testar os MSE foi utilizada uma mistura modelo contendo cátions inorgânicos, e em uma comparação sistemática, a performance analítica obtida não diferiu significativamente de um MSE comercial de PMMA.Com os dispositivos geradores de microgotas foram produzidas com sucesso microgotas na fase oleosa a uma taxa de 60 microgotas por minuto (fixando-se a vazão em 100µL.h-1) com tamanho de 322 ± 6 μm. As separações eletroforéticas e a geração de microgotas foram monitoradas empregando-se sistema de detecção condutométrica sem contato capacitivamente acoplada ou C4D. Para o posicionamento dos eletrodos C4D nos dispositivos foi produzida uma cavidade que permitiu o posicionamento dos eletrodos a apenas 100 µm de distância dos canais microfluídicos. Ensaios colorimétricos de glicose foram realizados na placa contendo micropoços e foi obtido limite de detecção de 9,0 µmol.L-1. Os resultados obtidos para duas amostras de soro artificiais mostraram concordância com as concentrações do rótulo. Desenvolveu-se adicionalmente um protocolo econômico de produção de filme fino de PMMA, que foi aplicado para produção de MSEs e dispositivo gerador de microgotas, contendo eletrodos integrados com distância de apenas 25µm dos canais microfluídicos. Esta estratégia apresenta potencial para melhoria dos limites de detecção com C4D nos dispositivos fabricados. Adicionalmente foi desenvolvido um processo automatizado empregando uma minifresadora (CNC) de bancada para a produção de dispositivo FIA (análise por injeção em fluxo) com detecção amperométrica. Os resultados preliminares com este dispositivo demonstram potencial para aplicações como a determinação de íons metálicos em solução bem como determinação de carboidratos em amostras biológicas. O processo de microfabricação desenvolvido é capaz de produzir estruturas com dimensões mínimas de largura e altura da ordem de 30 µm. Desta forma, a presente tese apresenta processos econômicos para a produção de dispositivos microfluídicos com potencial para aplicações bioanalíticas, ambientais, forenses entre outras. O processo de microfabricação emprega materiais de custo reduzido cujo desenvolvimento foi direcionado para ser realizado em praticamente qualquer laboratório de pesquisa ou mesmo ensino de química ou biologia. Adicionalmente, apesar de empregar tecnologias relativamente simples, o processo de microfabricação desenvolvido apresenta potencial para alcançar qualidade compatível com os processos convencionais de microfabricação. This thesis describes an unconventional and economical soft embossing process for the production of poly (methyl methacrylate) (PMMA) microfluidic devices. This process was developed in order to meet the demand of researchers interested in producing and developing their own microfluidic systems with the desired configurations. Basically, for the production of these devices, the microfluidic structure of interest was photographed on a poly (vinyl acetate) film (PVAc) deposited on a glass surface to produce a primary mold. Then this mold was used to produce a secondary embossed mold of hardened PDMS (S-PDMS), which was obtained by increasing the proportion of curing agent / monomer (1: 5) followed by thermal aging in an oven (200 ºC for 24 h). Then the S-PDMS mold was used to mold the microfluidic devices in PMMA via soft embossing at (220-230 ºC) and followed by thermal sealing at 140 ºC. Both the molding and sealing processes were carried out using metal clips to perform pressure. The proposed protocol ensured the molding of PMMA devices with excellent fidelity (> 94%). With the developed technique, electrophoretic microsystems (MSE), micro-drop generator devices and microwell plates were produced. These devices have been tested in the respective analytical techniques showing promising results. Specifically, to test the MSE a model mixture containing inorganic cations was used, and in a systematic comparison, the analytical performance obtained did not differ significantly from a commercial PMMA MSE. With micro-drop generator device micro-drops were produced in a rate of 60 micro-drops per minute (setting the flow rate at 100µL / h) with a size of 322 ± 6 μm. Electrophoretic separations and microdroplet generation were monitored using a capacitively coupled non- contact conductometric detection system or C4D. For the positioning of the C4D electrodes in the devices, a cavity was produced that allowed the electrodes to be positioned just 100 µm away from the microfluidic channels. Colorimetric glucose assays were performed on the plate containing microwells and a detection limit of 9.0 µmol L-1 was obtained. The results obtained for two artificial serum samples showed agreement with the label concentrations. An economical protocol for the production of PMMA thin film was also developed, which was applied for the production of MSEs and a microdroplet generating device, containing integrated electrodes with a distance of only 25 µm from the microfluidic channels. This strategy has the potential to improve detection limits with C4D in manufactured devices. In addition, an automated process was developed using a mini-drill (CNC) bench for the production of FIA device (flow injection analysis) with amperometric detection. Preliminary results with this device demonstrate the potential for applications such as the determination of metal ions in solution as well as the determination of carbohydrates in biological samples. The microfabrication process developed is capable of producing structures with minimum dimensions of width and height of the order of 30 µm. Thus, this thesis presents economic processes for the production of microfluidic devices with the potential for bioanalytical, environmental, forensic applications, among others. The microfabrication process uses low cost materials whose development was directed to be carried out in almost any research or even teaching laboratory of chemistry or biology. Additionally, despite using relatively simple technologies, the microfabrication process developed has the potential to achieve quality compatible with conventional microfabrication processes. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq |
| Databáze: | OpenAIRE |
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