livro de resumos - cnpempages.cnpem.br/workshopmicrofluidica/wp-content/uploads/... ·...
TRANSCRIPT
Livro de Resumos
III WORKSHOP EM MICROFLUÍDICA
I
Microfluídica
A Microfluídica pode ser definida como a ciência dos sistemas nos quais o
comportamento dos fluidos difere da teoria tradicional (domínio macroscópico) devido
às pequenas dimensões destes sistemas. O movimento dos fluidos pode ser explorado
para uma variedade de aplicações científicas e tecnologias e, por esse motivo, há
necessidade de maior discussão sobre os efeitos do escalonamento na microfluídica. O
desenvolvimento de microssensores de fluxo, microbombas e microválvulas no final dos
anos 80 dominou os primeiros estágios da microfluídica. Durante o estágio pioneiro, as
principais plataformas exploradas para a fabricação de microssistemas eram baseadas em
vidro, quartzo e silício. Atualmente, plataformas de menor custo e fácil acesso estão sendo
cada vez mais empregadas na microfluídica, incluindo polímeros elastoméricos (PDMS,
por exemplo) e materiais descartáveis como papel e filmes de transparência. Atualmente,
sistemas microfluídicos podem ser utilizados em diferentes áreas incluindo Química,
Biologia, Medicina, dentre outras. Alguns exemplos de aplicações de dispositivos
microfluídicos envolvem determinação de pH, monitoramento de cinética de reações,
bem como interações biomoleculares, separações eletroforéticas, imunoensaios,
citometria de fluxo, análise proteômica e metabolômica através da espectrometria de
massas, análise de DNA, manipulação de células e outras. O uso de tais dispositivos
apresenta uma série de vantagens bastante atrativas do ponto de vista econômico e
tecnológico. Primeiro, porque o volume de fluidos no interior desses sistemas é muito
pequeno (nanolitros a microlitros). Para aplicações em análises químicas, essa redução de
volume é especialmente significativa para reagentes caros ou em situações onde a
quantidade de amostra é reduzida. Além disso, atualmente as técnicas de fabricação são
relativamente baratas, permitindo a produção em larga escala bem como a integração de
múltiplas etapas químicas e físicas em um único dispositivo. Em consequência do
tamanho reduzido dos dispositivos, é possível completar uma análise em um intervalo de
tempo na ordem de segundos. A microfluídica começou a ser desenvolvida no Brasil no
início dos anos 2000. Atualmente, já existem alguns grupos de pesquisa dedicados
integralmente a esta linha de pesquisa. Nesse contexto, o III Workshop em Microfluídica
será importante para acompanhar o avanço nessa linha de pesquisa e permitir maior
integração dos pesquisadores brasileiros que atuam nesta área.
II
O Workshop
O III Workshop em Microfluídica 2013 foi realizado nos dias 18 e 19 de julho de
2013, no auditório do Anel, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), no
campus do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em
Campinas. Devido ao sucesso do evento realizado em 2012, o III Workshop manteve a
duração de dois dias, de modo a expandir as apresentações em diversas áreas do
conhecimento e promover o intercâmbio entre alunos e pesquisadores de diferentes
instituições e/ou empresas. A microfluídica possui aplicações em muitos setores
industriais, cobrindo áreas tão diferentes como a Biologia, Medicina, Química,
Engenharia de Processos, Transportes, Ciências Ambientais, Microeletrônica, dentre
outras. O objetivo desse evento é fomentar a cooperação no domínio da microfluídica,
reunindo pesquisadores que trabalham nesta área fortemente multidisciplinar. O III
Workshop em Microfluídica 2013 contou com seis palestrantes convidados, 14
seminários de estudantes e uma sessão com apresentações de trabalhos científicos na
forma de painel. Também foi apresentado pela empresa Mecwins® a Demo para a
caracterização de MEMS – caracterização estática e dinâmica de sensores
III
Organização
Dr. Wendell K. T. Coltro Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás
Goiânia, Goiás.
MSc. Angelo L. Gobbi Laboratório de Microfabricação, Laboratório Nacional de Nanotecnologia
Campinas, São Paulo.
Dr. Emanuel Carrilho Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo
São Carlos, São Paulo.
Dr. Lauro T. Kubota Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas
Campinas, São Paulo.
Dr.José Alberto Fracassi da Silva Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas
Campinas, São Paulo.
Dr. Dosil Pereira de Jesus Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas
Campinas, São Paulo.
IV
Programação
V
VI
Palestras
Fabricação de dispositivos microfluídicos utilizando materiais de baixo
custo. Prof. Dr. Evandro Piccin
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte-MG
E-mail: [email protected]
A Utilização da Microfluídica na Produção de Colóides. Prof. Dr. Álvaro Teixeira
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG
E-mail: [email protected]
PerkinElmer LabChip Technology: Genomics Applications.
Dra. Rafaella Nascimento
Perkin Elmer E-mail: [email protected]
Biossensores nanomecânicos.
Prof. Dra. Jacqueline Arguello Da Silva
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre-RS
E-mail: [email protected]
Expectativas da Indústria de Alimentos e Ingredientes Nutracêuticos
em relação à Microfluídica. Profa. Dr. Eduardo Carità
Ultrapan Indústria e Comércio Ltda.
E-mail: [email protected]
Starting-up Microfluidics Research at Universidade Federal do
Paraná. Prof. Dr. Cyro Ketzer Saul
Universidade Federal do Paraná, Curitiba-PR
E-mail: [email protected]
Sumário
Avaliação da repetibilidade analítica do processo de injeção eletrocinética no modo “gated”
em microssistemas eletroforéticos .............................................................................................. 1 Roger Cardoso Moreira, Gerson Francisco Duarte Junior e Wendell K. T. Coltro
Caracterização de microcápsulas de ácido ascórbico obtidas por dispositivos microfluídicos
....................................................................................................................................................... 3 Talita A. Comunian, Alireza Abbaspourrad, Carmen S. Favaro-Trindade e David A. Weitz
Construção de um detector condutométrico sem contato de alta resolução para sistemas
microfluídicos .............................................................................................................................. 5 Gerson F. Duarte Junior, Kelliton J. M. Francisco, Claudimir L. do Lago e Wendell K. T. Coltro
Deposição de filmes ultrafinos através da técnica layer-by-layer dinâmico no interior de
microcanais .................................................................................................................................. 7 C. M. Daikuzono, C. A. R. Dantas, D. Volpati, M. H. O. Piazzetta, A. L. Gobbi, C. J. L. Constantino,
A. Riul Jr
Desenvolvimento de teste-rápido em papel para a determinação colorimétrica de nitrito. . 9 Gabriela F. Giordano, Danielle C. M. Ferreira, Maria H. Piazzeta, Carlos C. B. Bufon e Angelo L. Gobbi
Desenvolvimento de um teste “point of care” para o diagnóstico de doença de Chagas. .... 11 R. C. P. Rampazzo, M. Cereda, A. Cocci, M. A. Bianchessi, A. C. Graziani, M.A. Krieger e A. D. T. Costa
Deslocamento imiscível em poros de duplo canal: uma comparação entre modelos dinâmicos
e quase-estáticos ........................................................................................................................ 13 Fabiano G. Wolf, Alexandre M. Zabot e Luis O. Emerich dos Santos
Detecção condutométrica sem contato altamente sensível para chips microfluídicos. ........ 17 Paulo C. Leão, Renato S. Lima, Alessandra M. Monteiro, Maria H. O. Piazzeta, Ângelo L. Gobbi, Luiz H. Mazo e Emanuel Carrilho
Determinação colorimétrica de glicose utilizando nanopartículas de ouro ......................... 19 Bernardo B. Vacaro e Jacqueline Arguello
Dispositivo microfluídico a base de papel para detecção e quantificação de analitos em
produtos farmacêuticos............................................................................................................. 21 Leandro Y. Shiroma, Murilo Santhiago, Ângelo Luiz Gobbi, e Lauro T. Kubota
Dispositivo microfluídico com formação de gradiente para avaliação de comportamento
celular ......................................................................................................................................... 23 A. F. Oliveira, R. G. Bastos e L. G. La Torre
Double Vortex Microreactor for Polymeric Nanocapsules ................................................... 26 J.N. Schianti e M. R. Gongora-Rúbio
Emulsificação em microcanais – Efeito da composição da fase dispersa na produção de
emulsões do tipo água em óleo ................................................................................................. 28 D. R. B de Oliveira, F. Y. Ushikubo, R. L. Cunha
Escrita direta de moldes para dispositivos microfluídicos em PDMS utilizando laser UV 30 Patrícia S. Domingues, Antonio L. P. Rotondaro e Ednan Joanni
Estrutura compacta cruzada de micromixer com múltiplas saídas para geração de
concentração de gradiente ........................................................................................................ 32 Christian E. Sutmoller, Vinicius M. Santos, Renan de S. Rezende, Chen Xiang, Shu-Ren Hysing, Rodrigo
Octavio M. A. de Souza e Omar Pandoli.
Estudo do fluxo de soluções em dispositivos baseados em papel........................................... 34 E.W. Nery, M. Santhiago e L.T. Kubota
Estudo numérico computacional para projeto de um micro reator para produção de
nanopartículas de prata ............................................................................................................ 36 E. Robalinho, e E. Cekinski
Fabricação de dispositivos analíticos integrados em plataformas de discos compactos
regraváveis (cd-r) ...................................................................................................................... 38 Anderson A. Dias e Wendell K. T. Coltro
Fabricação de dispositivos microfluídicos com superfícies nanoestruturadas para detecção
SERS ........................................................................................................................................... 40 Grazielle O. Setti, Ednan Joanni e Dosil P. de Jesus
Fabricação de dispositivos microfluídicos utilizando fotolitografia para aplicação em
sistemas aquosos bifásicos ........................................................................................................ 42
Laura Lima Guaitolini, Ubirajara P. V. Junior e Alvaro V. N. C. Teixeira.
Title: Fundamental aspects of laminar flow in paper-based microfluidic devices 44 Giorgio Gianini Morbioli e Emanuel Carrilho
Método colorimétrico para análises em batelada da adulteração de etanol de postos de
combustível ................................................................................................................................ 45
Microaerossóis gerados por atomizadores de ondas acústicas superficiais ......................... 47 O. V. Balachova, S. M. Balashov, A. Pavani Filho, M. G. de Almeida
Microfluidic formation of pDNA/cationic nonviral nanocarriers for in vitro gene delivery
..................................................................................................................................................... 49 Tiago A. Balbino, Juliana M. Serafin, Marcelo B. de Jesus e Lucimara G. de La Torre
Mimetização de vasos sanguíneos em dispositivo microfluídico de poliéster-toner (PT) ... 51 Ana C. Urbaczek, Fayene Z. R. de Souza, Juliana V. Alberice, Iracilda Z. Carlos e Emanuel Carrilho
Mistura e diluição em dispositivos microfluídicos baseados em papel ................................. 52 Giorgio Gianini Morbioli e Emanuel Carrilho
Pinched injection of Saccharomyces cerevisiae cells into a PDMS microfluidic device build
up using a direct laser patterned mold .................................................................................... 54 D.S. de Lara, M.H. Piazzeta, F.Y. Ushikubo, S.A. Moshkalev e J.W. Swart
Plataformas microfluídicas híbridas vidro/SU-8 para aplicações eletrocinéticas ............... 56 Alessandra M. Monteiro, Renato S. Lima, Paulo C. Leão, Maria H. O. Piazzetta, Ângelo L. Gobbi,
Luiz H. Mazo e Emanuel Carrilho
Produção de partículas de alginato utilizando dispositivo de microfluídica ........................ 58 Samuel Arruda Arcanjo, Danilo Machado Fulgêncio, Alvaro V.N. de Carvalho Teixeira
Síntese de microestruturas de polipirrol para aplicação em bio-mems ............................... 60 Stéfano R. Marquetto, Jacqueline Arguello e Clarisse M. S. Piatnicki
Um sistema microfluídico à base de uretana-acrilato com célula integrada para a detecção
por quimiluminescência: Avaliação na determinação de íons hipoclorito (OCl-) ............... 62 Thiago Rosa Sampaio e Alexandre Fonseca
Uso de sistema de microfluídica para experimentos em astrobiologia ................................. 64 E. P. Silva, G.G. Araujo, T. Gallo, F. Rodrigues e D. Galante
Utilização de circuito elétrico equivalente para analisar a deposição de filmes ultrafinos em
microcanais ................................................................................................................................ 66 C. A. R. Dantas, D. Volpati, M. H. O. Piazzetta,A. L. Gobbi, C.J.L. Constantino, A. Riul Jr.
1
Avaliação da repetibilidade analítica do processo de
injeção eletrocinética no modo “gated” em
microssistemas eletroforéticos
Roger Cardoso Moreira, Gerson Francisco Duarte Junior e Wendell K. T. Coltro
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil
Resumo
O objetivo deste trabalho é avaliar a repetibilidade da modalidade de injeção eletrocinética “gated” em
microchips de eletroforese utilizando um equipamento comercial equipado com detecção condutométrica
sem contato capacitivamente acoplada (C4D). As injeções demonstraram boa repetibilidade para detecção
de K+ apresentando desvio padrão relativo de 5,4% para os tempos de migração.
Introdução
A utilização de microchips de eletroforese (MSE) tem ganhado cada vez mais espaço
no campo da química analítica [1], pois apresenta vantagens como portabilidade e
consumo reduzido de amostras e reagentes [2]. A utilização de microchips proporciona
um aumento no desempenho analítico pois a amostra e a solução tampão são colocadas
em um mesmo dispositivo, estando assim em contato constante com o canal de análise
[3]. Devido aos pequenos volumes de amostras injetados nos MSE, a etapa de injeção
tem se tornado um fator limitante, uma vez que a qualidade das separações resultam em
parte desta etapa [4]. As técnicas mais comuns de injeção utilizam-se do bombeamento
pelo fluxo eletrosmótico conhecidas como injeção eletrocinética. Estas técnicas
consistem da aplicação de potencial no reservatório contendo a amostra de forma a gerar
um fluxo em direção ao canal de separação. Dentre estas técnicas se destaca o modo
gated. Uma das vantagens desse modo de injeção é que devido ao fluxo contínuo da
amostra, não se tem uma injeção discriminada de analitos [3]. Deste modo, o objetivo
deste trabalho visa uma avaliação prévia da repetibilidade analítica referente ao processo
de introdução da amostra a partir do modo gated.
Procedimento Experimental
Os experimentos foram realizados em um equipamento de eletroforese em microchips
comercial da eDAQ modelo C4D System 225 com plataforma microfluídica modelo ET
225 equipado com duas fontes de alta tensão ER 230. Foram utilizados microchips
comerciais de vidro Micronit modelo ET145-4 (www.micronit.com) de 45 mm de
comprimento contendo eletrodos integrados para detecção condutométrica sem contato.
A avaliação do modo de injeção gated foi realizada injetando-se uma solução contendo o
íon K+, na concentração de 100 M. No processo eletroforético, utilizou-se uma solução
tampão constituída de MES/His 20 mM. Foram realizadas 5 séries com 9 injeções cada e
não foi feita lavagem do microchip entre as séries. Uma demonstração do modo de injeção
gated está representada na Figura 1. A detecção foi realizada sob aplicação de uma onda
senoidal de 900 kHz e amplitude de 8 Vpp.
2
Figura 1. Esquema do modo de injeção gated . (A) preenchimento; (B) injeção e (C) separação.
Resultados e Discussão
As séries de injeções estão representadas na Figura 2.
Figura 2. Representação das cinco séries de eletroferogramas obtidos com 9 injeções sequenciais cada.
Os picos positivos e negativos representam os picos do K+ (100 µM) e do EOF. Condições experimentais:
tampão MES/His (20 mM), pH 6,1: injeção: 800 V/1 s; separação: 1000 V.
Considerando-se as 45 injeções, o desvio padrão relativo para o tempo de migração foi
de aproximadamente 5,4%. O valor médio encontrado para a altura do pico de potássio
foi 33,03±7,40 mV. A variação observada para altura do pico está relacionada com a
estabilidade do fluxo eletrosmótico. esse desvio pode ser justificado pela variação da
mobilidade do fluxo eletrosmótico que foi 2,23x10-4 ± 8,02x10-6 cm2.V-1.s-1
Conclusão
O modo de injeção gated apresentou boa repetibilidade e as próximas etapas serão
realizadas afim de entender a influência desse modo de injeção nos níveis de
detectabilidade do sistema C4D.
Referências
[1] W.K.T. Coltro et al., Anal. Methods 4, 25 (2012).
[2] A. Arora et al., Anal. Chem. 82, 4830 (2010).
[3] J. M. Karlinsey. Anal. Chim. Acta, 725, 1 (2012).
[4] M. Blas et al. Electrophoresis, 29, 20 (2008).
Agradecimentos
CNPq, FAPEG e INCTBio
A C B
G
3
Caracterização de microcápsulas de ácido ascórbico
obtidas por dispositivos microfluídicos
Talita A. Comunian1, Alireza Abbaspourrad2, Carmen S. Favaro-Trindade1, David
A. Weitz2
1 Universidade de São Paulo, Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos, Av.
Duque de Caxias Norte, 225, CP 23, CEP 13535 900, Pirassununga, São Paulo, Brasil. 2 Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences and Department of
Physics, Cambridge, Massachusetts 02138, United States.
Resumo O ácido ascórbico (AA) possui papel fundamental na alimentação, no entanto sua aplicação na indústria
de alimentos é limitada. A fim de solucionar esse problema e visando sua proteção, o AA foi
microencapsulado pela técnica microfluídica, obtendo-se cinco tratamentos e caracterizando-os através
do tamanho e distribuição de tamanho de partícula, microscopia eletrônica de varredura e confocal. A
microencapsulação do AA utilizando-se de dispositivos microfluídicos foi viável uma vez que foram obtidos
estruturas as quais possibilitariam um excelente desemprenho no que diz respeito à proteção do AA.
Palavras- chave: microencapsulação, vitamina C, microscopia, tamanho de partícula.
Introdução
O ácido ascórbico (AA) é um composto com função antioxidante e vitamínica, no
entanto muito instável e influenciado por diversos fatores, o que limita sua aplicação[1].
A aplicação do AA em alimentos poderia ser garantida a partir da sua microencapsulação
utilizando-se de dispositivos microfluídicos. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho
foi encapsular AA utilizando dispositivos microfluídicos e caracterizar as microcápsulas
através do tamanho e distribuição do tamanho de partícula, microscopia eletrônica de
varredura e confocal.
Procedimento experimental
Como material ativo utilizou-se AA puro. Gordura de palma foi mantida a 66°C e
empregada como fase oleosa e solução de 10% (m/m) de poli-vinil-álcool foi utilizada
como fase aquosa externa. O experimento foi realizado utilizando um dispositivo
microfluídico de vidro. Cinco tratamentos foram estudados, diferenciando-se a
composição da fase aquosa interna, onde se variou as concentrações de AA, Na2CO3 e
quitosana. Os fluidos foram bombeados usando a bomba de seringas (Harvard PHD
2000). Para a caracterização das microcápsulas, foram realizadas análises de distribuição
de tamanho de partícula, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e confocal. Em
relação à microscopia confocal, foram preparadas cápsulas contendo os corantes Nile Red
Nilrot na fase oleosa e Fluoresceína na fase aquosa interna. Dois tratamentos foram
obtidos, sendo eles: sem a presença e com 1% de Na2CO3 na fase aquosa interna.
Resultados e discussão
Os tratamentos foram coletados em banho de gelo, solidificando a gordura e
resultando na obtenção de poros, responsáveis pela possível perda do AA. Por esta razão,
algumas medidas foram tomadas. Na2CO3 foi incorporado na fase aquosa interna e CaCl2
na solução de coleta das microcápsulas. Ao reagirem estes sais formam um precipitado
que obstruiria os poros da fase lipídica, levando a obtenção de estruturas com maior
4
retenção do agente encapsulado. Além disso, quitosana foi aplicada na fase aquosa interna
com intuito de formar um complexo maior que o AA puro, dificultando a passagem do
AA pelos poros.
Em relação ao MEV (Fig. 1a) foi possível confirmar o formato arredondado e a
presença de poros nas microcápsulas. As Figuras 1b e c foram obtidas através da
microscopia confocal. A cor vermelha refere-se ao corante aplicado na camada oleosa,
enquanto que a cor verde ao corante aplicado na fase aquosa interna. Nota-se na Figura
1b que a cor verde esteve predominantemente presente na fase interna, comprovando a
eficiência do precipitado que competiu com o AA pela passagem pela fase oleosa,
enquanto que na Figura 1c a cor verde esteve predominantemente fora da cápsula,
indicando a difusão do corante pela fase oleosa. Esse fato pode ser explicado devido à
ausência do precipitado na fase oleosa, causando maior taxa de liberação do agente
encapsulado. O tamanho médio das cápsulas variou de 170 a 342 µm, apresentando
diferença significativa entre os tratamentos e distribuição com comportamento unimodal
para quase todas as amostras.
Figura 1. (a) Microscopia eletrônica de varredura do tratamento com 3% de AA, 0,25% de quitosana e 1% de Na2CO3; (b) Microscopia confocal da microcápsula com 1% de sal; (c) Microscopia confocal da microcápsula sem sal.
Conclusões
Considerando os objetivos propostos, pode-se afirmar que a encapsulação de ácido
ascórbico com a utilização de dispositivo microfluídico é viável uma vez que as
microcápsulas apresentaram características que possibilitariam um excelente desempenho
no que diz respeito à proteção do AA.
Referências Bibliográficas
[1] O. R Fennema; S. Damodaran; K.L. Parkin. Química de Alimentos de Fennema. Porto
Alegre: Artmed, 366 (2010).
Agradecimentos Os autores agradecem a bolsa FAPESP concedida (Processo 2012/04451-4).
Autor correspondente: [email protected]
5
Construção de um detector condutométrico sem contato
de alta resolução para sistemas microfluídicos
Gerson Francisco Duarte Junior1, Kelliton José Mendonça Francisco2, Claudimir Lucio
do Lago2 e Wendell Karlos Tomazelli Coltro1.
1Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil 2Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil
Resumo
Este trabalho tem como objetivo a confecção e avaliação de um detector condutométrico sem contato
baseado no Projeto Open C4D (https://sites.google.com/site/openc4d/home) para utilização nos sistemas
microfluídicos de eletroforese. Ajustando a frequência em 400 kHz e amplitude em 4,0 Vpp foi possível
mostrar separações eletroforéticas de íons inorgânicos em dispositivos poliméricos fabricados em PMMA,
PDMS/Vidro e Poliéster-Toner.
Palavras-chave: Detecção Condutométrica Sem Contato, Open C4D, Microfluídica.
Introdução
Nos últimos anos os microssistemas eletroforéticos (MSE) tem se tornado uma
importante ferramenta analítica. Este dispositivos apresentam algumas vantagens tais
como, redução no consumo de reagentes e amostras, portabilidade e possibilidade de
analise em campo[1]. Dentre os diversos métodos de detecção que podem ser acoplados
a estes MSE, destaca-se a Detecção Condutométrica sem Contato Capacitivamente
Acoplada (C4D) [2]. Proposta independentemente, em 1998, por dois diferentes grupos
[3, 4], a C4D tem ganhado bastante popularidade para monitorar separações
eletroforéticas em MSE. Em 2009, Francisco e do Lago [5] propuseram um detector C4D
totalmente integrado para Eletroforese Capilar derivado da versão original proposta por
da Silva e do Lago [4]. Com esta nova eletrônica, foi mostrada uma melhora na relação
sinal/ruído e na faixa dinâmica, o que permite estabilidade em curvas de calibração. Foi
criado um projeto open source (https://sites.google.com/site/openc4d/home) deste detector
permitindo que grupos de pesquisas possam desenvolver e otimizar seu próprio detector.
Neste contexto o objetivo deste trabalho visou o desenvolvimento de um C4D baseado no
projeto Open Source para utilização nos MSE.
Procedimento Experimental
A confecção do detector foi realizada de acordo com a documentação que consta
no site do projeto considerando as adaptações necessárias para utilização nos
microdispositivos. Para caracterização do detector foi utilizada uma mistura equimolar de
K+, Na+ e Li+ e solução tampão de MES/His. Foram utilizados microdispositivos
fabricados em PMMA, dispositivos híbridos de PDMS/Vidro e Poliéster-Toner (PT).
Resultados e Discussão
A Figura 1 mostra uma fotografia do detector fabricado bem como resultados
obtidos para separações eletroforéticas nos diferentes dispositivos. Foi utilizada uma
mistura equimolar dos cátions na concentração de 0,5mM, e o tampão 20mM. A partir de
uma varredura sistemática de frequência e amplitude foi definido que a melhor condição
estaria em 400 kHz de frequência e 4,0 Vpp de amplitude. Utilizando estas condições,
6
realizou-se separações eletroforéticas nos diferentes microdispositivos. Embora cada
dispositivo apresenta uma condição ótima de frequência e amplitude, os dados mostram
que a condição escolhida é favorável para trabalhar em todos eles.
Figura 1. Fotografias do (A) Detector, (B) da Microcontroladora, (C) do Sistema de Eletroforese, e
eletroferogramas mostrando a separação e detecção de K+, Na+ e Li+ em dispositivos de (D) PMMA, (E)
PDMS/Vidro e (F) Poliéster-Toner.
Conclusão
O detector demonstra potencial para se trabalhar com microdispositivos fabricados
em diferentes substratos. Em etapas futuras pretende-se utilizá-lo para análises
quantitativas em diferentes tipos de amostras. Além disso, a instrumentação é simples e
independente de instrumentos operacionais utilizados na versão original deste sistema,
como potenciômetros e geradores de onda convencionais [4].
Referências
[1] W.K.T. Coltro et al., Anal. Methods 4, 25 (2012).
[2] P. Kubáñ and P.C. Hauser, Electrophoresis 32, 30 (2011).
[3] A. J. Zemann et al., Anal. Chem. 70, 563 (1998).
[4] J. A. F. da Silva et al., Anal. Chem. 70, 4339 (1998)
[5] K. J. M. Francisco and C. L. do Lago, Electrophoresis 30, 3458 (2009).
Agradecimentos
CAPES, FAPEG, CNPq e INCTBio.
A
B
C
0 15 30 45 60 75 90
2270000
2272500
2275000
2277500
2280000
2282500
2285000
A
Sin
al d
o D
ete
cto
r (U
. A
.)
tempo (s)
30 60 90 120 150 180
2985000
2990000
2995000
3000000
C
Sin
al d
o d
ete
cto
r (U
. A
.)
Tempo (s)
15 30 45 60 75 90
3114000
3120000
3126000
3132000
3138000
3144000
B
Sin
al d
o D
ete
cto
r (U
. A
.)
Tempo (s)
E FD
7
Deposição de filmes ultrafinos através da técnica layer-
by-layer dinâmico no interior de microcanais
C.M. DAIKUZONO; C.A.R. DANTAS, D. VOLPATI; M.H.O. PIAZZETTA;
A.L. GOBBI; C.J.L. CONSTANTINO; A. RIUL Jr.
Resumo
Este trabalho visa à fabricação e caracterização de filmes ultrafinos de ftalocianina tetrasulfonada de cobre (CuTsPc) e poli(3,4-etilenodioxitiofeno) poli(estireno) (PEDOT:PSS) no interior de microcanais, de maneira a auxiliar o processo de integração de uma “língua eletrônica” em dispositivos “lab-on-a-chip”. Filmes ultrafinos de poli(cloridrato de alilamina) (PAH)/CuTsPc e PAH/PEDOT:PSS foram depositados no interior de microcanais através da técnica de automontagem (LbL, do inglês “layer-by-layer”) dinâmica. Foram verificados os melhores parâmetros de deposição envolvidos na nanoestruturação dos materiais através da variação de vazão e tempo de deposição dos eletrólitos no microcanal. Adicionalmente, o crescimento dos filmes LbL dentro do microcanal foi acompanhado por medidas de UV-vis, e espectroscopias de impedância e Raman. Palavras chaves: filmes ultrafinos, PEDOT, CuTsPc e microcanal.
Introdução
O presente trabalho está intimamente relacionado à microfluídica, investigando os
principais parâmetros envolvidos na deposição de filmes ultrafinos nanoestruturados no
interior de microcanais fabricados em uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). O
objetivo é a otimização de uma configuração que facilite a integração de uma “língua
eletrônica” em dispositivos lab-on-a-chip. Como é a primeira vez que a microfluídica
está sendo aplicada em dispositivos “língua eletrônica”, estamos verificando as melhores
condições envolvidas (vazão e tempo de deposição) para fabricação de filmes ultrafinos
no interior de microcanais. A deposição de filmes nanoestruturados foi feita através da
técnica de automontagem (LbL, do inglês layer-by-layer) dinâmica [1], pelo fato de
permitir um elevado grau de organização molecular, além de relativa simplicidade [2].
Procedimento experimental
Os filmes LbL em fluxo (“dynamic LbL film deposition”) foram depositados dentro
do microcanal com o auxílio de uma bomba de microseringa (syringe pump) da marca
Cole Parmer. Em nosso trabalho, as vazões utilizadas foram de 200 µL/h, 500 µL/h,1500
µL/h, além do modo estático. Os tempos de deposição testados para os filmes de
PAH/CuTsPc foram de 3 min, 5 min e 8 min. Já para os filmes de PAH/PEDOT:PSS os
tempos de deposição foram de 5 min, 10 min e 15 min. Repetindo o processo de injetar a
solução de policátion, vácuo, lavagem com água ultrapura, vácuo, injetar solução de
poliânion, lavagem com água ultrapura e vácuo, conseguimos obter filmes ultrafinos
nanoestruturados no interior do microcanal e sobre os eletrodos interdigitados de ouro. O
crescimento dos filmes no interior do microcanal foi acompanhado através das
espectroscopias de impedância elétrica, Raman e UV-vis.
Resultados e discussão
A Figura 1 ilustra o monitoramento do crescimento dos filmes automontados no
interior de microcanais, através da capacitância em uma frequência de 1 kHz. O
crescimento foi acompanhado através de variações elétricas geradas por cada
monocamada depositada.
8
Figura 1 – Variações elétricas causadas pela deposição de filmes automontados em microcanais.
Através dos espectros Raman representados na Figura 2 foi possível confirmar a
presença dos filmes no interior do microcanal. Adicionalmente, através de mapeamentos
em regiões distintas no interior do microcanal foi possível inferir sobre a distribuição e
homogeneidade dos materiais depositados através deste método de deposição.
Figura 3 – Espectros obtidos da placa de PDMS, filmes PAH/PEDOT:PSS e PAH/CuTsPc no interior do microcanal.
Conclusão
Através das técnicas de caracterização utilizadas podemos comprovar a eficiência
da utilização da técnica de autmontagem dinâmica para deposição de filmes ultrafinos
dentro de um microcanal que passa sobre eletrodos interdigitados de ouro.
Adicionalmente, foi possível a verificação in-situ de cada etapa de deposição envolvida
na nanoestruturação dos materiais através de medidas de impedância elétrica.
Referências bibliográficas
[1] P. Lavalle, J. C. Voegel, D. Vautier, B. Senger, P. Schaaf, e V. Ball, “Dynamic aspects of films prepared by a sequential deposition of species: perspectives for smart and responsive materials”, Advanced Materials, vol. 23, no 10, p. 1191–1221, 2011.
[2] G. Decher, “Fuzzy Nanoassemblies: Toward Layered Polymeric Multicomposites”, Science, vol. 277, no 5330, p. 1232–1237, ago. 1997.
Agradecimentos FAPESP; CAPES; LNNano; CNPEM; INEO e nBioNet.
e-mail: [email protected]
5 0 6 1 2 3 4 10
20
30
40
50 PAH PEDOT:PSS
0 µ L/h
0 6 5 4 3 2 1 6 7 8 9
10 11 PAH
CuTsPc 1500 µ L/h
9
Desenvolvimento de teste-rápido em papel para a
determinação colorimétrica de nitrito.
Gabriela Furlan Giordano, Danielle C. M. Ferreira, Maria Helena Piazzeta, Carlos C. B.
Bufon, Angelo L. Gobbi.
RESUMO
Teste-rápido em papel foi desenvolvido para a determinação de nitrito em amostras de carnes
processadas, tais como salsicha e presunto. Os sensores foram preparados em papel cromatográfico Whatman nº1, e impregnados com uma mistura dos reagentes: sulfanilamida, naftiletilenodiamina, e ácido
clorídrico. Assim, ao adicionar o nitrito sobre o papel modificado, este sofre uma reação de diazotação
formando um composto róseo. A coloração obtida foi monitorada através da medida da transmitância da luz utilizando um colorímetro portátil, e obteve-se uma curva analítica. Teste de repetibilidade foi realizado
a partir de dez análises de uma solução padrão de nitrito na concentração de 100 ppm e o coeficiente de
variação foi de 12%. Amostras de salsicha e presunto foram analisadas por adição de padrão após uma etapa de extração, assim, obtiveram-se recuperações de 102 e 91%, respectivamente.
Palavras-chave: nitrito, teste-rápido em papel, reação de diazotação.
INTRODUÇÃO
Testes rápidos de análise tem se tornado um tópico de pesquisa muito interessante
nos últimos anos, pois possibilitam a obtenção de diagnósticos em poucos minutos sem a
necessidade de um laboratório especializado e conhecimento científico aprofundado,
assim, podem ser utilizados diretamente pela população1. Estes sistemas são
desenvolvidos para a aplicação em diversos setores de interesse social como o
monitoramento de doenças e de deficiências nutricionais, a manutenção da saúde e a
garantia da qualidade da água e alimentos.
Sabe-se que nitritos são largamente empregados na indústria alimentícia para a
conservação de carnes processadas. Porém, o consumo destes pode causar a formação de
nitrosaminas, que são cancerígenas. Por isso, o limite deste composto em alimentos é
regulamentado pelo Ministério da Saúde em 150 ppm2. A maioria das técnicas
empregadas para a determinação dos nitritos demanda alta quantidade de reagentes
tóxicos, uma alternativa para isso é o desenvolvimento de testes rápidos, como sensores
colorimétricos em papel que, além de empregarem baixos volumes de reagentes, são uma
plataforma barata, portátil e descartável3. Então, um sensor em papel foi desenvolvido
para a determinação deste composto utilizando-se a reação colorimétrica de Griess.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os dispositivos em papel foram impressos em papel cromatográfico Whatman nº1
utilizando cera hidrofóbica para formar as regiões hidrofílicas, círculos de 7 mm de
diâmetro. Sobre os reservatórios do papel adicionou-se uma mistura dos reagentes:
sulfanilamida, naftiletilenodiamina, e ácido clorídrico, nas concentrações de 2,5x10-2,
8,33x10-2 e 0,6 mol L-1, respectivamente. Após a secagem adicionou-se soluções padrão
de nitrito de sódio. A Figura 1 representa a coloração rósea desenvolvida no papel. Esta
coloração foi monitorada por colorímetro construído no laboratório.
Figura 1. Representação das colorações obtidas no sensor em papel após a adição de nitrito.
10
Para a análise de amostras reais de alimentos foi necessária realizar a extração, na
qual, tomaram-se 10 g de amostras de salsicha e presunto e adicionou-se 30 mL de água
a 80ºC. Cozinhou-se por duas horas a 40ºC. Por fim, adicionaram-se os reagentes de
Carrez para o clareamento. A esses extratos adicionaram-se 100 ppm de nitrito de sódio
para o ensaio de recuperação do padrão.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A reação colorimétrica estudada foi a determinação de nitrito pela reação de
Griess. Esta reação consiste na diazotação de uma amina aromática por nitrito acidificado
seguida de uma reação de acoplamento, formando um azo-composto de coloração rósea,
esta reação pode ser observada na Figura 2.A. A coloração foi desenvolvida no papel e
monitorada por um colorímetro portátil capaz de medir a transmitância através do papel,
sendo que, esta segue uma relação logarítmica com a concentração, conforme pode ser
observado na curva analítica apresentada na Figura 2.B.
Teste de repetibilidade foi realizado a partir de 10 análises de solução padrão de nitrito
de sódio 100 ppm e resultou em coeficiente de variação de 12%. A partir da adição de
padrão em amostras comerciais de salsicha e presunto foi possível obter um fator de 102
e 91 %, respectivamente.
Figura 2. A. Reação colorimétrica empregada na determinação de nitrito. B. Curva analítica para a
determinação de nitrito no intervalo de 10 a 140 ppm. Iensaio = intensidade da luz transmitida para uma
solução padrão de nitrito. Ibranco = intensidade da luz para o solvente (água) adicionado ao dispositivo.
Limite de detecção: 27 ppm. Análise em triplicata.
CONCLUSÃO
Os resultados apresentados mostraram que foi possível obter um teste-rápido em papel,
descartável e de baixo custo, capaz de monitorar a concentração de nitrito em amostras
reais de alimentos com baixo consumo de reagentes.
REFERÊNCIAS 1V. Gubala; L. F. Harris; A. J. Ricco; M. X. Tan; D. E. Williams, Analytical Chemistry
84, 487, (2012). 2V. H. M. Luiz; L. Pezza; H. R. Pezza, Food Chemistry 134, 2546, (2012). 3E. Carrilho; A.W. Martinez; G.M. Whitesides, Analytical Chemistry 81, 7091, (2009).
AGRADECIMENTO
Ao LNNano pelo auxílio financeiro.
11
Desenvolvimento de um teste “point of care” para o
diagnóstico de doença de Chagas.
R.C.P. Rampazzo1,2, M. Cereda3, A. Cocci3, M.A. Bianchessi3, A.C. Graziani1,2,4, M.A. Krieger1,2,4 e
A.D.T. Costa1,2 1 Instituto de Biologia Molecular do Paraná (IBMP), Curitiba, Brasil; 2 Instituto Carlos Chagas (ICC),
Fundação Oswaldo Cruz, Curitiba, Brasil; 3 STMicroelectronics Srl (ST), Agrate Brianza, Itália; 4
Department of Bioprocess Engineering and Biotechnology, Universidade Federal do Paraná (UFPR),
Curitiba, Brasil. Resumo: A doença de Chagas afeta pessoas que vivem abaixo da linha de pobreza e em áreas de difícil
acesso. A Organização Mundial de Saúde (OMS) preconiza pelo menos dois testes diagnósticos para
comprovar a doença, sendo estes realizados em laboratórios/hospitais centrais. Assim, o objetivo do
trabalho é desenvolver um teste rápido utilizando real time PCR (qPCR) em um sistema lab-on-chip para
o diagnóstico preliminar da doença, permitindo o acompanhamento do tratamento dos doentes e a
identificação de pacientes assintomáticos. Palavras chave: Doença de Chagas, teste rápido, qPCR, point of care.
Introdução
A doença de Chagas é causada pelo Trypanosoma cruzi e têm prevalência de pelo
menos 8 milhões de indivíduos. A prevenção através do controle do inseto vetor e da
análise de bolsas de sangue doado trouxe bons resultados em áreas endêmicas, como a
América Latina, mas a migração associada a não obrigatoriedade no screening de bolsas
de sangue e órgãos aumentou os casos desta em áreas não endêmicas tornando-se um
novo problema de saúde pública (1). A OMS preconiza pelo menos 2 testes distintos para
a detecção da doença; atualmente os testes de padrão ouro são os sorológicos (1). Os
ensaios moleculares, como a reação em cadeia da polimerase (PCR), surgiram como uma
alternativa aos testes convencionais. Piron et al.(2) e Moreira et al. (3) detectaram até 0.1
parasitas/mL de sangue através de qPCR. As desvantagens do qPCR são o custo, a
necessidade de laboratórios bem equipados e de pessoal extremamente bem treinado. O
diagnóstico usando qPCR point of care é relevante para a saúde pública e está em uso
para algumas doenças substituindo os testes sorológicos e qPCR convencional por
apresentar resultado rápido, acurácia elevada e execução sem necessidade de especialista,
sendo executado em consultórios médicos, hospitais e em domicílios (4), o que minimiza
o trabalho em hospitais/laboratórios centrais. Este trabalho visa superar as desvantagens
de testes citados, desenvolvendo um teste de qPCR point of care para a doença de Chagas.
Procedimento Experimental Extração de DNA e curvas de diluição: 107 epimastigotas de T. cruzi foram diluídos
em tampão fosfato (PBS), seu DNA foi extraído usando o High Pure PCR Template
Preparation Kit (Roche), e então diluído em PBS até 10-1 genomas. Condições para qPCR
ABI 7500 (Life Technologies): Este equipamento padrão em laboratórios de biologia
molecular utiliza 5 µL de DNA em um volume final de reação de 20 µL, contendo 0.3
µM de cada iniciador cruzi1 e cruzi 2 e 0.2 µM de sonda cruzi3-FAM-BHQ1, em uma
ciclagem de 50°C/2 min, 95°C/10 min e 40 ciclos de 95°C/15 seg e 60°C/1 min de acordo
com Piron et al. (2) com modificações. Condições para qPCR Q3: As reações point of
care foram realizadas em um equipamento protótipo denominado Q3 (figura 1A)
(www.biotobit.com). Q3 é uma plataforma compacta para ser usada facilmente como um
sistema point of care integrando a tecnologia de PCR, controle elétrico de temperatura,
12
iluminação e detecção óptica para o teste em lab-on-chip. O chip (figura 1B) é
descartável, feito com um composto de silício fabricado usando a tecnologia de
semicondutores, e selado com uma moldura transparente formando 6 câmaras de reação.
O Q3 conduz o lab-on-chip para controlar a temperatura da reação utilizando aquecedores
e um sensor de temperatura integrados no chip. Reações on-chip foram realizadas usando
1 µL de DNA em um volume final de 5 µL, contendo 0.9 µM de cada iniciador cruzi1 e
cruzi 2 e 0.3 de sonda cruzi3-FAM-BHQ1, em uma ciclagem de 95°C/40 seg e 45 ciclos
de 95°C/10seg e 64°C/30 seg.
A.
B. Figura 1: A. Plataforma Q3; B. Chip usado na plataforma com 6 poços.
Resultados e Discussão
A tabela 1 apresenta os resultados comparativos entre os dois equipamentos
testados (ABI7500 e Q3). A regressão linear da média dos ciclos de threshold de
experimentos realizados (n=3 para cada equipamento) mostrou slope de -2,60 e eficiência
de 0.982 para o ABI7500, e -2.38 e 0.974 para o Q3. Os resultados obtidos on-chip são
comparáveis com os obtidos com o equipamento padrão e os descritos na literatura (2,3),
apresentando os mesmos níveis de sensibilidade e acurácia.
Conclusão O teste on-chip é três vezes mais rápido e pelo menos três vezes mais barato, sendo
o primeiro passo para o desenvolvimento de um teste diagnóstico molecular “point of
care”. Além da redução do custo e redução do tempo de reação, a qPCR aqui apresentada,
aliada a equipamentos portáteis e de baixo custo, abre a possibilidade de diagnóstico
sensível e preciso em áreas de difícil acesso ou com baixa densidade tecnológica.
Referências Bibliográficas
[1] WHO TDP, WHO Press Geneva (2010).
[2] M Piron, Acta Tropica, 103, 195 (2007).
[3] O Moreira, Acta Tropica, 125, 23 (2012).
[4] L Kulinsky, Methods in Molecular Biology, 949, 3 (2012).
Agradecimentos
Agradecemos ao Dr. Otacilio C. Moreira e a Drª Constança Britto pela contribuição nos
experimentos iniciais. Este trabalho foi financiado pelo CNPq (590032/2011-9 e
404242/2012-0 para M.A.K.) e Programa Framework 7th (ICT-FP7-287770). Rita de
Cássia Pontello Rampazzo: [email protected]
Equivalentes de genoma ABI7500 Q3
10,000 16.8±0.4 21.5±0.3
1,000 20.3±0.6 25.3±0.6
100 23.4±0.7 28.4±0.7
10 26.1±0.1 29.5±1.9
1 28.1±2.2 31.9±3.6
0.1 29.8±1.8 34.0±1.9
Tabela1: Comparação de médias de ciclos de threshold, desvio padrão de 3 curvas distintas de T. cruzi usando os equipamentos ABI7500 e Q3. Os experimentos foram realizados em paralelo, utilizando as mesmas amostras biológicas.
13
Deslocamento imiscível em poros de duplo canal: uma
comparação entre modelos dinâmicos e quase-estáticos
Fabiano G. Wolf*, Alexandre M. Zabot e Luis O. Emerich dos Santos
Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Campus Joinville
Resumo Neste trabalho, dois modelos computacionais foram utilizados para a modelagem do deslocamento
imiscível em um poro de duplo canal, um tipo de arranjo paralelo de dois canais com larguras diferentes. O objetivo deste trabalho é verificar a eficácia desses modelos na reprodução dos mecanismos físicos responsáveis pelo fenômeno de aprisionamento. Para esse fim, analisa-se o processo de drenagem, no qual o fluido injetado é nãomolhante para o material que compõem o canal. Resultados preliminares mostram que o modelo dinâmico fornece resultados comparáveis aos resultados experimentais. Contudo, notou-se que uma alteração discreta da geometria porosa pode levar a resultados equivalentes para ambos os métodos.
Palavras-Chaves: poro de duplo canal, deslocamento imiscível, modelo Lattice-Boltzmann, modelo
quaseestático, fenômenos de aprisionamento.
1. Introdução
O deslocamento água-óleo em meios porosos sempre foi assunto de grande importância para a indústria petrolífera. Isso porque a eficiência da extração de petróleo depende fortemente da dinâmica da interface água-óleo no interior da rocha-reservatório, que pode ser formada, por exemplo, em processos de injeção de água. É um caso típico da relação direta entre a escala de poro e a escala de reservatório. Entender melhor a correlação entre essas duas escalas é um grande desafio científico e tecnológico. Buscando avançar nesse tema, utiliza-se o modelo idealizado de poro de duplo canal para se compreender os mecanismos físicos responsáveis pelo aprisionamento de fluidos em processos de deslocamento imiscível [1], definindo em qual canal a fase deslocada (geralmente óleo) ficará aprisionada para diferentes regimes de escoamento. Neste trabalho, os resultados experimentais fornecidos por Chatzis e Dullien [1] são utilizados para analisar diferentes modelos de simulação disponíveis na literatura.
2. Métodos numéricos
2.1 Modelo quase-estático (Q-E)
Magnani et al. [2] desenvolveram um modelo quase-estático para o processo de deslocamento imiscível entre dois fluidos em um sistema poroso. O modelo de Magnani é baseado na Lei de Young-Laplace que descreve a diferença de pressão capilar sustentada através da interface entre dois fluidos estáticos. Segundo essa equação, a diferença de pressão é inversamente proporcional ao raio de curvatura da interface. Magnani aproveitou esse resultado simples para propor que um fluido só invade uma região dentro do sistema poroso quando a pressão for tal que caiba uma esfera de raio apropriado dentro dessa região. Raio apropriado, no caso, significa ter um raio dado pela Lei de Young-Laplace. Aplicando-se pequenos passos de incremento de pressão obtemos uma descrição aproximada da invasão do fluido no sistema poroso.
14
2.2 Modelo dinâmico (D)
O modelo dinâmico em questão é conhecido como Lattice-Boltzmann [3,4]. É um método mesoscópico para a descrição de um sistema mecânico de partículas. As partículas são vistas como pontos fictícios numa rede discreta. Existem diferentes formalismos para a modelagem de sistemas multicomponentes dentro da estrutura do modelo Lattice-Boltzmann. Por exemplo, entre os mais conhecidos, têm-se os modelos de Gunstensen e Rothman [5], Shan e Doolen [6], Swift et al. [7], Santos et al. [8] e, mais recentemente, Spencer et al. [9]. Esses modelos têm suas especificidades, vantagens e desvantagens. Um dos modelos mais utilizados é o modelo de Shan e Doolen [6] devido a sua simplicidade, facilidade de implementação e correspondência direta com a dinâmica física de sistemas com partículas interagentes. Por essas razões, esse é modelo dinâmico escolhido neste trabalho. Nesse modelo, o fluido simulado comporta-se de acordo
com uma equação de estado não ideal, dada por P =[(nP +n
D)+GnPn
D]/3, onde G = 0,9, nP e
nD representam a concentração de partículas da fase principal e da fase dissolvida, respectivamente.
3. Resultados e discussão
3.1 Comparação entre modelos quase-estáticos e dinâmicos
Uma representação simplificada e bidimensional do poro de duplo canal é utilizada, na
qual a largura do canal i é representada por Di e medido em unidades de rede (ur). Nos casos
abordados aqui, D1 = 25 ur e D2 = 63 ur. O canal de entrada e de saída tem largura de 63 ur e
todos os outros canais apresentam largura de 25 ur. Simula-se um processo de drenagem
(ângulo de contato, Θ ~ 180°), no qual fluido injetado não penetra espontaneamente no meio
poroso. O processo de injeção é equivalente àquele utilizado para obtenção de curvas de
pressão capilar, no qual a pressão aplicada na face de entrada é sempre aumenta até que a fase
deslocante atravesse todo o sistema. Cada incremento de pressão só ocorre após o estado de
equilíbrio ser atingido para uma dada pressão aplicada.
Figura 1. Resultados experimentais obtidos por Chatzis e Dullien [1]. A figura mostra as etapas
de deslocamento da água por n-decano num poro de duplo canal.
Como ilustrado na figura 2, verifica-se que os modelos Q-E e D fornecem resultados não
concordantes. A princípio, de um ponto de vista qualitativo, os resultados previstos pelo modelo
D recuperam os resultados experimentais, mostrados na figura 1, onde se observa que parte do
fluido deslocado fica aprisionada no canal de menor tamanho. Esses resultados são diferentes
porque o modelo D é capaz de simular a relação entre forças viscosas e capilares corretamente,
diferentemente do modelo Q-E que simula as configurações de equilíbrio entre as fases
deslocante e deslocada baseado puramente na Lei de Young-Laplace. Nesse caso, nota-se que a
resistência viscosa maior no canal mais estreito é um fator dinâmico determinante, mesmo que
15
a pressão aplicada seja suficiente para o preenchimento de ambos os canais, como previsto pelo
modelo Q-E.
Figura 2. Resultados obtidos pelos modelos (a) quase-estático e (b) dinâmico para D1 = 25 ur e D2 = 63 ur. O domínio de simulação tem um tamanho de 825 x 246 ur, incluindo dois reservatórios com 63 x 246 ur (não mostrados na figura). No modelo dinâmico, os fluidos têm a mesma viscosidade.
É interessante notar que uma alteração leve na geometria pode afetar sensivelmente o
processo de deslocamento imiscível previsto pelo modelo Q-E. Por exemplo, se D1 é diminuído
de 1 ur (ou pixel), ou seja, ficando com 24 ur, observa-se que o estado final, apresentado na
figura 3, é similar aos resultados experimentais e àqueles previstos pelo modelo D (não
mostrados aqui). Isso ocorre porque a diminuição artificial da largura do canal torna a pressão
aplicada ao sistema (correspondente a δP = 2σ/ D1 = 2σ/ 25 ur ) insuficiente para o
preenchimento do canal mais estreito, forçando o deslocamento do fluido injetado através do
canal mais largo.
Figura 3. Estado final para o processo de deslocamento imiscível em poro de duplo canal previsto pelo modelo Q-E com D1 = 24 ur.
Um fator não discutido neste trabalho refere-se ao fato de o custo computacional do
modelo Q-E ser várias ordens de grandeza menor que o do modelo D, o que justifica um estudo
mais aprofundado de suas características e possíveis modificações.
4. Conclusões
Neste trabalho, o processo de drenagem em uma geometria de canais bidimensional conhecida como poro de duplo canal é analisado com base em dois modelos computacionais: um modelo quase-estático (Q-E) e um modelo dinâmico (D). Os resultados obtidos pelo modelo D exibiram uma boa concordância qualitativa com resultados experimentais, enquanto que o modelo Q-E, por não simular efeitos viscosos, leva a um estado final diferente. Verificou-se que
( a) Modelo quase-estático. ( b) Modelo dinâmico.
16
uma alteração discreta das características geométricas do sistema de canais, permitiu que o modelo Q-E apresentasse resultados similares aos experimentais. Embora não discutido aqui, o modelo Q-E apresenta um custo computacional de várias ordens de grandeza menor que o modelo D. Esse fato motiva um estudo mais aprofundado das características e possíveis modificações do modelo Q-E.
5. Referências
[1] I. Chatzis, F.A.L. Dullien. J. Colloid Interface Sci 91(1):199 (1983).
[2] F. S. Magnani, P.C. Philippi, L. Zhirong, C.P. Fernandes. Modelling two-phase equilibrium in three dimensional porous microstructures. Int. J. Multiphase Flow. Vol. 26, 99123 (2000).
[3] Y.H. Qian, D. D'humières, P. Lallemand. Lattice BGK models for Navier-Stokes equations. Europhysics Letters, 17(6):479-484 (1992).
[4] H. Chen, S. Chen, W.H. Matthaeus. Recovery of the Navier-Stokes equations using a lattice-gas Boltzmann method. Physical Review A, 45(8):R5339-R5342 (1992).
[5] A.K. Gunstensen and D.H. Rothman, Europhys. Lett. 18, 157 (1992).
[6] X. Shan, G. Doolen. Multicomponent lattice-Boltzmann model with interparticle interaction, Journal of Statistical Physics,Vol. 81, N. 1-2, 379-393 (1995).
[7] M.R. Swift, W.R. Osborn, and J.M. Yeomans. Physical Review Letters, 75(5):830-833 (1995).
[8] L.O.E. Santos, P.C. Facin, P.C. Philippi, Lattice-Boltzmann model based on field mediators for immiscible fluids, Phys. Rev. E 68, 056302 (2003).
[9] T.J. Spencer, I. Halliday, C. M. Care. Lattice Boltzmann equation method for multiple immiscible continuum fluids, Physical Review E (2010).
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio e suporte financeiro do CENPES/PETROBRAS fornecido
pela Rede de Simulação e Gerenciamento de Reservatórios (SIGER).
*E-mail: [email protected]
17
Detecção condutométrica sem contato altamente
sensível para chips microfluídicos. Paulo C. Leão, Renato S. Lima, Alessandra M. Monteiro, Maria H. O. Piazzeta, Ângelo L. Gobbi, Luiz H. Mazo e Emanuel Carrilho.
RESUMO: Neste trabalho descrevemos os avanços recentes e expressivos obtidos em nosso grupo com detecção C4D em microdispositivos. São eles i) dopagem do dielétrico com
nanopartículas de TiO2 1, ii) fabricação de eletrodos concêntricos 2 e iii) uso da C4D como transdutor em biossensores 3. Os dois primeiros métodos objetivaram uma melhora na sensibilidade do detector, que é a principal limitação da técnica, enquanto o último impôs seletividade a um detector universal.
Palavras chave: Condutometria sem contato, Microfluídica, Sensibilidade, Sensores.
A desvantagem principal de sistemas que integram a detecção condutométrica sem
contato acoplada capacitivamente (capacetively coupled contactless conductometry detection,
C4D) é a sua sensibilidade baixa quando comparada a outras técnicas eletroquímicas faradaicas1.
Neste ínterim, algumas alternativas foram desenvolvidas em nosso grupo de pesquisa com o
intuito de tornar a C4D uma alternativa competitiva com relação aos métodos condutométricos
convencionais e eletroquímicos faradaicos. Dentre as alternativas propostas objetivando
melhorias nos limites de detecção da C4D, temos: i) Dopagem do dielétrico. A camada isolante
dos eletrodos (PDMS) em microchips vidro/PDMS foi dopada com nanopartículas esféricas de
TiO2 (30 a 45 nm de diâmetro) para aumentar a constante dielétrica (ε) e, assim, a capacitância
do sistema segundo a lei de Gauss 1. A Figura 1a mostra o aumento linear do sinal C4D em função
de ε. São ilustrados também os níveis de dopagem utilizados e os limites de detecção (LD) os
quais foram obtidos para análises em fluxo usando padrões de NH4Cl. ii) Eletrodos concêntricos.
Filmes finos – eletrodos e dielétricos (PDMS e SiO2) – foram integrados em volta de todo o canal
microfluídico (vidro/vidro) de modo a elevar a área sensível e, logo, a condutância em C4D 2. Os
LDs melhoraram em aproximadamente cinco ordens de grandeza comparados aos níveis
registrados com eletrodos planares para análises em fluxo a padrões de LiClO4. A Figura 1b
apresenta as curvas analíticas e os LDs referentes aos microdispositivos contendo eletrodos
planares e concêntricos.
Por fim, o biossensor C4D foi desenvolvido em um dispositivo microfluídico vidro/PDMS
contendo ácido fólico (FA) como biorreceptor 3. Esse sistema contém dois eletrodos receptores
– de referência (err) e trabalho (ewr) – os quais são responsáveis pela transdução das informações
químicas primárias em sinais elétricos. A fase biossensora foi ancorada à superfície do dielétrico
posicionada sobre ewr. A subtração entre os sinais registrados por ewr e err (sinal analítico do
sensor) responde apenas pelas interações biomoleculares receptor/ligante devido ao
biorreconhecimento, corrigindo a contribuição das propriedades migracionais do meio
eletrolítico. A Figura 1c ilustra sinais típicos obtidos pelo microssistema utilizando-se análise em
fluxo a padrões de anticorpos seletivos ao FA (α-FA). Os resultados indicaram uma correlação
direta entre o sinal e as interações biomoleculares em tempo real, mostrando que a C4D pode
ser utilizada como transdutor em sensores químicos.
18
Os métodos aqui descritos foram desenvolvidos de maneira inédita pelo nosso grupo e
lançam novas perspectivas para a C4D com respeito aos níveis de sensibilidade – dopagem e
eletrodos concêntricos, tornando essa técnica em uma alternativa real frente aos métodos
eletroquímicos faradaicos. Em adição, demais melhorias nos LDs serão implementadas mediante
a funcionalização dos eletrodos com CNTs verticalmente alinhados (Figura 1d). Esses foram
recentemente caracterizados e aplicados em chips microfluídicos para medidas voltamétricas 4.
Finalmente, o biossensor C4D é bastante promissor no que concerne às suas vantagens,
incluindo: i) análise direta e ii) isolamento eletrodo/solução.
Referências:
[1]Lima, R. S.; et al., Lab on a Chip 11, 4148 (2011).
[2]Lima, R. S.; et al., submetido ao periódico Analytical Chemistry.
[3]Lima, R. S.; et al., Lab on a Chip 12, 1963 (2012).
[4]Lima, R. S.; et al., Lab on a Chip 12, 1959 (2012).
Email: [email protected]
19
Determinação colorimétrica de glicose utilizando
nanopartículas de ouro
Bernardo B. Vacaro, Jacqueline Arguello
Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
Resumo
Devido as suas propriedades eletrônicas, ópticas e catalíticas, alem de uma variada gama
de aplicações, nanopartículas de ouro têm despertado grande interesse da comunidade
científica. Elas podem ser facilmente imobilizadas sobre diferentes tipos de substratos sólidos
tais como vidro, metais e filmes poliméricos, tornando-as particularmente interessantes na
construção de sensores. O papel é um suporte que tem ganhado cada vez mais destaque na
fabricação de dispositivos ecológicos, leves e de baixo custo. Proveniente de fontes naturais e
renováveis ele tem mostrado utilidade na imobilização de nanopartículas metálicas. Neste
trabalho, são apresentados os resultados sobre as potencialidades de utilização de papel e
nanopartículas de ouro no desenvolvimento de um sensor colorimétrico para glicose.
Palavras-Chave: glicose, nanopartículas de ouro, colorimetria
Introdução
Dispositivos analíticos em papel para diagnósticos rápidos por meio de reações
colorimétricas representam uma alternativa simples, portátil, barata e descartável [1]. A
capacidade de discriminar visualmente entre diferentes concentrações do analito vem sendo
explorada nas áreas clinicas há décadas [2]. No que diz respeito aos sensores colorimétricos, o
advento de novas e mais sofisticadas ferramentas de aquisição e tratamento de imagens tem
impulsionado enormemente o seu desenvolvimento e aplicação em diversas áreas nos últimos
tempos. Dentro dessa temática, neste trabalho esta sendo estudada a formação de
nanopartículas de ouro sobre papel para o desenvolvimento de um sensor colorimétrico para
glicose. A redução química do acido cloroáurico gera uma mudança de cor de amarelo para rosa,
cuja intensidade pode ser correlacionada com a concentração da glicose [3].
Parte Experimental
Papel de filtro quantitativo, previamente lavado com etanol e água deionizada, foi
tratado com uma solução contendo aminopropiltrietoxisilano (APTES), etanol e HCl. Após
lavagem e secagem foi deixado em contato com uma solução de HAuCl4 (4mM) por 30 minutos
com o qual adquiriu uma coloração amarela. O papel foi novamente lavado para remover
excesso de acido cloroáurico e secado para a realização dos testes colorimétricos. A fim de
determinar a temperatura e tempo de reações ótimas, o papel de filtro funcionalizado foi imerso
em soluções de glicose de diferentes concentrações (0.05, 0.5, 1, 5 e 10 mM) e aquecido a
diferentes temperaturas (60, 70, 80 e 90ºC). Com os parâmetros experimentais otimizados,
foram realizados os experimentos com diferentes concentrações de glicose (0.05, 0.5, 1, 2, 3, 4,
5 e 6 mM).
Resultados e discussão
O acido cloroáurico imobilizado no papel foi reduzido com solução alcalina de glicose.
Após a reação foi observada a mudança de coloração de amarelo para rosa claro a vinho
dependendo da concentração de glicose e o tempo de exposição. Para avaliar a uniformidade
20
na distribuição dos elementos ouro, silício e nitrogênio, foi realizado mapeamento desses
elementos através de analise de EDS. Para o tratamento das imagens, trabalhamos com um
histograma, que é um gráfico estatístico que permite representar a distribuição das intensidades
dos pixéis de uma imagem, ou seja, o número de pixéis para cada intensidade luminosa. Usa
uma escala linear de 256 níveis, onde é mostrada a distribuição relativa de valores de cor de
pixels na imagem, de preto para branco.
A melhor correlação foi obtida entre 1/ intensidade e a concentração de glicose. Uma
relação linear foi obtida na faixa 0,05 mmol L-1 a 5 mmol L-1 com um coeficiente de regressão
de 0.9449. A equação da reta é 1/intensidade= 0,00562 + 0,00209 [Glicose]/mmol
L-1.
Conclusão
A formação de nanopartículas de ouro sobre papel de filtro como reação colorimétrica
representa uma alternativa promissora na determinação de glicose.
Agradecimentos
Os autores agradecem pela Bolsa IC e o apoio emergencial a pesquisa a Propesq-UFRGS,
ao CNPQ (Processo: 550441/2012-3) e ao INCTBio.
Referências
[1] A. W. Martinez, S. T. Phillips, E. Carrilho, S. W. Thomas III, H. Sindi, G. M. Whitesides. Anal. Chem. 80, 3699 (2008)
[2] S. F. Clarke, J. R. Foster. Br. J. Biomed. Sci. 69 (2), 83 (2012).
[3] G. Palazzo, L. Facchini, A. Mallardib. Sensor Actuat. B 161, 366 (2012)
21
Dispositivo microfluídico a base de papel para detecção
e quantificação de analitos em produtos farmacêuticos
Leandro Y. Shiroma (IC)*1, Murilo Santhiago (PG)1, Ângelo Luiz Gobbi2, Lauro T. Kubota (PQ)1
1.Instituto de Química, Departamento de Química Analítica, Universidade Estadual de Campinas; Campinas - SP, Brasil.
2.Laboratório de Microfabricação, Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais;
Campinas - SP, Brasil.
Resumo:
O presente trabalho descreve a construção e aplicação de um dispositivo microfluídico à base de
papel para separação e detecção de analitos com aplicação em amostras farmacêuticas. Os canais de
separação foram construídos através de um processo de impressão com cera. O sistema de detecção,
composto por eletrodos de filme fino de ouro, foram construídos por processo de sputtering. O dispositivo
foi aplicado para análises de amostras comerciais de água oxigenada e paracetamol obtendose resultados
promissores comparados aos métodos de análise padrão destes produtos.
Palavras-chave: Papel; detecção eletroquímica; point-of-care; peróxido de hidrogênio,
paracetamol.
1. Introdução O desenvolvimento de dispositivos microfluídicos para diagnóstico rápido tem sido
estimulado, em partes, pela necessidade de medidas com dispositivo portátil capaz de fazer
medidas em campo (poin-of-care). Essa é uma característica bastante desejável para análises em
controle de qualidade, pois desfruta de vantagens como baixo custo, rapidez e simplicidade em
comparação com os métodos tradicionais.
Dispositivos microfluídicos à base de papel são facilmente construídos através da inserção
de paredes hidrofóbicas no papel [1]. Nesses dispositivos as amostras são direcionadas através
da ação da capilaridade para o sistema de detecção. O acoplamento da detecção eletroquímica
nesses dispositivos é interessante devido à possibilidade de miniaturização, portabilidade, baixo
custo e alta sensibilidade desse sistema de detecção [2].
Considerando-se as vantagens que esse tipo de dispositivo apresenta espera-se que o
mesmo possa ser aplicado como uma ferramenta poderosa de análise para aplicação em campo,
como para diagnóstico de doenças, controle de qualidade e monitoramento ambiental.
2. Procedimento Experimental Os dispositivos microfluídicos apresentam, basicamente, duas partes principais: um canal
hidrofílico por onde há a passagem do analito e o sistema de eletrodos de ouro para a detecção no final desse canal. O papel utilizado como plataforma foi o Whatman n01 ou P81 (trocador catiônico), e para delimitar um canal de 2 mm de largura foi feita impressão com cera hidrofóbica. O sistema de eletrodos foi construído por meio da técnica de sputtering e suas áreas geométricas foram delimitadas com uma máscara física de cobre. Os analitos, injetados com auxílio de uma micropipeta, foram conduzidos até o sistema de detecção por um eluente que se movimentava sobre o canal por meio de capilaridade. As medidas eletroquímicas foram realizadas em um potenciostato/galvanostato modelo PGSTAT 302N da AUTOLAB.
22
3. Resultados e discussão Os dispositivos construídos foram aplicados para análises de dois tipos de amostras
farmacêuticas: paracetamol (PA) e 4 – aminofenol (AF) em medicamento à base de paracetamol
e peróxido de hidrogênio em água oxigenada. No primeiro foi dado enfoque à capacidade de
separação e detecção de dois analitos principais: PA e AF, sendo este último um potencial
contaminante para medicamentos deste tipo [3]. Para o segundo caso a vantagem principal
decorre do fato de que a amostra comercial pode ser injetada diretamente no dispositivo, ou
seja, não há necessidade de tratamento prévio ou mesmo diluição para realização da análise.
Em ambos os casos as análises foram feitas através da técnica de amperometria,
medindo-se a corrente de pico registrada após a passagem do analito sobre os eletrodos.
Para cada caso foram realizados testes de otimização para potencial aplicado, pH e
concentração do eluente, distância e volume de injeção da amostra. Nesses testes foram
utilizadas soluções padrões de cada analito, verificando-se a condição de melhor resposta para
o prosseguimento dos estudos.
Após a otimização, foram construídas duas curvas analíticas: a primeira para PA e AF o qual apresentou linearidade para ambos de 0,05 a 2,00 mmol L-1, e a segunda para o peróxido de hidrogênio que foi linear de 0,25 a 1,00 mol L-1. Amostras de medicamentos (em gotas e cápsula) à base de paracetamol foram analisadas e seus resultados comparados a análises por espectrofotometria, os quais se apresentaram iguais estatisticamente. Para o peróxido de hidrogênio, três amostras foram analisadas. Os resultados foram comparados com ensaios, os quais foram considerados iguais para um limite de confiança de 95%.
4. Conclusões O principal destaque no método proposto é a simplicidade aliada à alta precisão e
exatidão do método: nenhum tratamento prévio precisa ser realizado para sua subsequente
análise, e a mesma é injetada no dispositivo de papel. Na análise dos medicamentos à base de
paracetamol foi necessária apenas uma diluição. Essa característica proporciona uma maior
economia de tempo e reagente na realização das análises, visto que os métodos usuais são
relativamente mais laboriosos e necessitam de equipamentos mais sofisticados.
Dessa forma o dispositivo pode ser utilizado em laboratórios de controle de qualidade de
fármacos, alternativamente ao método clássico, visto que rapidez e simplicidade, além de baixo
custo, são cruciais para laboratórios analíticos.
5. Referências
[1] Carrilho, E., Martinez, A.W., Whitesides, G.M. Anal. Chem. 81, 5990 (2009).
[2] Carvalhal, R. F.; Kfouri, M. S.; Piazetta, M. H. D.; Gobbi, A. L.; Kubota, L. T. Anal. Chem 82, 1162 (2010).
[3] Shiroma, L.Y., Santhiago, M., Gobbi, A.L., Kubota, L.T. Anal. Chim. Acta 725, 44 (2012).
6. Agradecimentos
FAPESP, CNPq, INCTBio, LMF – CNPEM
23
Dispositivo microfluídico com formação de gradiente
para avaliação de comportamento celular Oliveira, A. F.; Bastos, R. G.; La Torre, L. G.
Resumo O objetivo deste trabalho consiste na construção de um dispositivo microfluídico capaz de gerar um gradiente de concentração difusivo destinado para avaliação do comportamento celular, com a função de otimizar as etapas de rastreamento em bioprocessos. O dispositivo microfluídico foi construído em duas camadas usando lâmina e lamínula de vidro e poli dimetilsiloxano (PDMS) laminado. A camada inferior contém uma câmara onde ocorre o crescimento celular e formação de gradiente e a superior ocorre o escoamento de duas correntes de concentrações distintas (40g/L e 0g/L de glicose). O sistema foi operado em ambiente a 30ºC, com vazão de 15 µl/min e analisado por 1h30min. Observou-se a formação de diferentes perfis de glicose dentro do dispositivo, que foi analisados pelo software ImageJ. Portanto, o dispositivo microfluídico proposto apresentou gradiente de concentração e mostra-se adequado para avaliar o comportamento celular frente a concentrações diferentes de substrato, sendo aplicável aos ensaios iniciais para o desenvolvimento de bioprocessos.
Palavras-chave: microfluídica; gradiente de concentração; bioprocessos.
Introdução
A microfluídica utiliza dispositivos microfluídicos versáteis e que são excelentes
plataformas para estudar células em várias condições específicas em microambientes,
pois propiciam as mesmas características biologicamente importantes de um sistema in
vivo [1]. Estes dispositivos podem simular operações em macro escala e possibilita a
obtenção de dados experimentais em tempo real em condições apropriadas [2],
permitindo grande aplicação em pesquisas biotecnológicas [3]. Além disso, os
dispositivos microfluídicos são capazes de formar gradientes de concentração bem
definidos nos microcanais, permitindo estudos que visam conhecer ou determinar os
níveis de concentração de biomoléculas, fundamentais para o metabolismo celular [4].
Tendo em vista a aplicabilidade da microfluídica em bioprocessos, a proposta deste
trabalho consiste em desenvolver um dispositivo microfluídico com gradiente de
concentração para aplicações em bioprocessos.
Procedimento experimental
A fabricação dos dispositivos microfluídicos foi realizada no Laboratório de
Microfabricação, do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LMF-
CNPEM), situado em Campinas-SP, utilizando técnica de corrosão química nas lâminas
e lamínulas de vidro.
O dispositivo microfluídico estudado foi baseado no trabalho de ATENCIA et al.[5]
e é composto por lâminas de vidro, lamínulas de vidro e poli dimetilsiloxano (PDMS)
laminado (Stockwell elastomerics, USA) e possui duas camadas. A camada inferior é
formada por lâmina de vidro com canais, que foram obtidos por corrosão química. Nestes
canais ocorre o crescimento celular e a formação do perfil de concentração. A camada
superior é feita por lamínula de vidro com furos, que formam o acesso ao canal inferior,
e PDMS laminado em canal para passagem de duas correntes contendo o meio de cultura
líquido PDB (Potato-Dextrose-Broth) modificados (uma corrente com 40g/L glicose e a
outra sem glicose) (Figura 1). E para finalizar, a lâmina de vidro superior possui duas
24
entradas e uma saída para soluções e o dispositivo foi vedado com pressão de presilhas
de metal.
Figura 1 - Estruturas do dispositivo microfluídico e o escoamento de correntes pelas camadas superior e inferior.
O sistema microfluídico operou com temperatura de 30ºC, a15 µL/min controlado
por bomba tipo seringa e operado por 1h30min para garantir o estabelecimento do
gradiente de concentração.
Resultados e Discussão
O dispositivo microfluídico apresentou a formação de gradiente puramente difusivo
nos canais inferiores, que pode ser observado pelo perfil de concentração da intensidade
de cor, cuja relação com a concentração de glicose foi calibrada com valores conhecidos
de glicose e analisado pelo software ImageJ (Figura 2).
Figura 2 – Dispositivo microfluídico com gradiente de concentração: a) estrutura do dispositivo proposto; b) formação do gradiente no canal; c) ampliação do gradiente e, d) análise do gradiente de concentração em função da distância no canal analisado pelo ImageJ.
A formação de gradiente de concentração nos canais do dispositivo microfluídico
apresentou perfil linear.
25
Conclusões As análises quantitativas apontam um dispositivo microfluídico capaz de gerar um
gradiente de concentração linear, mostrando-se viável para futuras aplicações a processos biotecnológicos.
Referências [1] D. Noort; S. M. Ong; C. Zhang; S. Zhang; T. Arooz; H. Yu.Biotechnology Progress 25, 52 (2009).
[2] D. Schapper; M.N.H. Alam; N. Szita; A.E. Lantz; K.V. Gernaey. Analytical and Bioanalytical Chemistry 395, 679 (2009).
[3] W.C. Tian; E. Finehout. Springer, 428 p (2008).
[4] J. El-Ali; P. K. Sorger; K. F. Jensen. Nature 442, 403 (2006).
[5] J. Atencia; G. A. Cooksey; L. E. Locascio. Lab on a Chip 12, 309 (2012).
[email protected]; [email protected]
Agradecimentos
Ao suporte financeiro do CNPq, à Faculdade de Engenharia Química/Unicamp e ao
Laboratório de Microfabricação/CNPEM, pelo suporte técnico para a construção dos
dispositivos microfluídicos.
26
Double Vortex Microreactor for Polymeric
Nanocapsules
J.N. Schianti e M. R. Gongora-Rúbio
Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) - Núcleo de Bionanomanufatura
Av. Prof. Almeida Prado, 532. Cidade Universitária – São Paulo - 05508-901
Abstract
In this work we present the first studies related to polymer nanocapsules production using microfluidics reactors
microfabricated in LTCC green ceramic. The polymer nanocapsules are obtained by an emulsion-diffusion
process, and are useful to encapsulate drugs. The microfluidic reactor contains double vortex geometry with the
purpose to produce an emulsion on the first vortex and a dilution process on the second one. Vortex geometry
is useful for mixing process and has the advantage to work with higher fluid flow rates. In the first experiments
we obtained particles with 160 nm of sizes, with low polidispersity and in higher flow rates (in mL/min). The
results are promising and show the viability to produce nanocapsules in an integrated device for two chemical
processes on sequence.
Key-Words: nanocapsules, microreactor, vortex, emulsion-diffusion
Introduction
Nanoencapsulation of liquid or solid by a polymer coating have been a broadly process
applied by pharmaceutical and chemical industry to protect drug and other products from
environmental conditions [1]. The polymer coating offers also a better stability and controlled
released. Microfluidic devices have been an important tool to produce solid nanoparticles and
nanocapsules with controlled sizes, low polidispersity, with high homogeneity between process
and in a continuous way [2, 3]. In this work we designed a double vortex microreactor to
produce polymeric nanocapsules by an emulsion-diffusion process. Vortex geometry has been
used to intensifying mixtures by promoting vortices between fluids [4]. On the first vortex on the
chip, the organic and aqueous phase will mix, generating a simple emulsion. On the second
vortex, the emulsion will be diluted in water phase, and the solvent present on organic solution
will diffuse promoting the polymer solidification and particle size reduction.
Experimental Section
The microfluidic device (Figure 1(a) vortex geometry and (b) device) was microfabricated
using LTCC ceramic layers, Dupont Green Tape 951P2 (165, 1 µm of thickness). Each layer was
assembled using a diode pumped laser. The lamination and sintering process were done by
standard LTCC microfabrication process. The nanocapsules production was done using a polymer
solution as organic phase on emulsification process. The continuous phase is water solution
prepared with solvent and a surfactant and dilution phase is water with surfactant. We use three
syringe pump to control the organic, aqueous and dilution phase. The relation between organic
and aqueous phase was maintained in 1:4, but the dilution phase was varied from 5 to 20
mL/min.
(a) (b)
27
Figure 1: (a) double vortex geometry and (b) LTCC microreactor
Results and Discussion
In the Table 1 we present the results of particle sizes for each experiment realized. It is
possible to observe that when the dilution phase flow is higher, the polymer particle size
increased. This behavior is the opposite comparing to batch experiments, so we can observe a
better yield using microreactors, using less dilution phase. On the Figure 2 (a) we show the
solutions obtained on the experiments and the Figure 2(b) the nanocapsules MEV-FEG
micrograph.
Table 1. Polymer nanocapsules sizes obtained in
four experiments in double vortex microreactor.
Conclusions
The double vortex microreactors produced polymeric nanocapsules with the sizes varying
from 166 up to 403 nm. This work is still in progress and adjustments will be done not only in
the precursor solutions, but also in geometry and channel sizes in microreactor.
Acknowledgments
Projeto MCT/FINEP 550751/2012-2 e Bolsa CNPq Processo 384659/2012-8.
References
[1] M. HASSOU et. al,. AIChE Journal, 55, (2009). [2] M. RHEE et. al. , Adv. Mater, 23, (2011). [3] C.X.ZHAO et. al. , Chemical Engineering Science, 66, (2011). [4] M. A. ANSARI et. al. Chemical Engineering Journal, 181–182,(2012).
E-mail: [email protected]
Exp Size IP Size IP
nm nm
1 196.7 0.235 166.1 0.235 2 166.2 0.135 293.3 0.127 3 206.4 0.24 284.9 0.24 4 389.1 0.289 406.3 0.239
Figure 2. (a) nanocapsules solution and (b) nanocapsules
micrograph
28
Emulsificação em microcanais – Efeito da composição
da fase dispersa na produção de emulsões do tipo água
em óleo D. R. B de Oliveira*, F. Y. Ushikubo, R. L. Cunha
Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas
Resumo
Emulsões do tipo água em óleo (A/O) foram produzidas utilizando óleo de soja e emulsificante PGPR como fase contínua. As diferentes fases dispersas foram água pura, soluções de glicerol a 40 e 75 % e soluções de goma xantana a 0,05 e 0,10 %. Foram variadas as vazões de entrada das fases em cada sistema formado, sendo que a razão entre essas vazões influenciou diretamente no tamanho das gotas, que apresentaram diâmetro variando de 70 a 142 µm, e um coeficiente de variação de até 5,5 %. Além disso, a viscosidade da fase dispersa também afetou o diâmetro das gotas produzidas. A presença do glicerol na fase dispersa acarretou em gotas menores quando comparadas às gotas produzidas com água pura, nas mesmas condições de processo. Por fim, na presença de componentes com comportamento viscoelástico (goma xantana), não foi possível a formação de emulsões monodispersas.
Palavras-chaves: emulsões, microfluidica, propriedades reológicas, monodispersão.
Introdução
Microdispositivos têm despertado interesse para uso nos processos de emulsificação,
por serem capazes de permitir o controle da produção individual de gotas, conseguindo-se
emulsões de baixa polidispersão [1], além de apresentar menor gasto energético e de ser um
processo mais suave de formação das gotas em relação aos métodos convencionais [2].
Além dos tipos de dispositivos e das condições de processo, o tamanho das gotas
produzidas nos microcanais também é influenciado pelas propriedades dos fluidos que irão
formar a emulsão [3]. O comportamento reológico de cada uma das fases e a tensão interfacial
entre os dois líquidos são fatores fundamentais nos processos de formação das emulsões.
Desta forma, este trabalho teve como objetivo estudar o método de emulsificação por
microcanais avaliando-se o efeito da razão entre as vazões das fases dispersa e contínua, e da
composição da fase dispersa na formação das emulsões.
Procedimento Experimental
Microcanais com junção em Y foram projetados em AutoCAD 2012 (Autodesk, EUA) e
produzidos em polidimetilsiloxano (PDMS) pela técnica de litografia macia. Estes foram
conectados a duas bombas seringa (PHD22/2000, Havard Apparatus, EUA) para o bombeamento
das fases para o interior dos canais. O processo de formação das gotas na junção dos canais foi
observado em microscópio Multizoom AZ100 (Nikon, Japão). Foram estudados sistemas com a
fase contínua formada por óleo de soja (Bunge Alimentos, Brasil) adicionado de 5 % do
emulsificante polirricinoleato de poliglicerol (PGPR) (Danisco, Dinamarca), e cinco diferentes
componentes como fase dispersa, sendo eles: água deionizada, soluções de glicerol 40 e 75 %
(Labsynth, Brasil) e soluções de goma xantana a 0,05 e 0,10 % (Sigma-Aldrich, EUA). Todos os
sistemas avaliados tiveram a vazão de entrada da fase dispersa (Φdisp) fixada em 1,0 µL/min,
enquanto a vazão da fase contínua (Φcont) foi variada de 1,0 a 4,0 µL/min, obtendo-se diferentes
razões entre vazões ( ).
Resultados e Discussão
Gotas do tipo A/O foram formadas apenas em algumas condições estudadas. Na
condição de q = 1,0, não houve formação de gotas (Figura 1a), com exceção do sistema óleo de
29
soja/água deionizada (Figura 1b). Na medida em que o valor de q foi diminuído, como
consequência do aumento de Φcont, todos os sistemas apresentaram uma diminuição no
diâmetro médio das gotas formadas. Isso se deve ao fato de maiores vazões do óleo acarretar
em um maior efeito de cisalhamento sobre a fase dispersa (maior velocidade relativa), o que
facilita o rompimento de menores gotas.
(a) (b)
Figura 1 - (a) Sistema glicerol 75%/óleo de soja q=1,0; (b) sistema água/óleo de soja q=1,0.
Quando comparadas a uma mesma condição de processo, as soluções de glicerol tiveram
diferença no tamanho médio das gotas formadas (89,98 µm para a solução 40 % e 114,28 µm
para a solução 75 %, a q = 0,50). Observou-se que a solução de glicerol 75 %, mais viscosa,
apresentou um maior diâmetro médio de gota produzida. Neste tipo de situação, a maior
viscosidade levou a uma maior resistência ao cisalhamento pela fase contínua, gerando gotas
maiores.
Por outro lado, a água deionizada apresentou um comportamento diferente. Por ter
menor viscosidade que as soluções de glicerol, era esperado que o tamanho das gotas
produzidas fosse ainda menor. Apesar disso, na condição de q = 0,50 foram obtidas gotas com
um diâmetro médio de 129,94 µm, indicando que a presença do glicerol no sistema
provavelmente interfere na formação das gotas, através de uma possível interação com a
molécula de surfactante na interface do sistema óleo-água.
Quando usadas as soluções de goma xantana como fase dispersa, não foi possível a
obtenção de um regime estável de gotejamento. As duas concentrações utilizadas resultaram
em um regime de jateamento, onde as gotas eram formadas longe da junção e apresentavam
alta polidispersidade. Nesses sistemas, a resposta elástica que a goma xantana apresenta pode
ser o fator limitante para a obtenção de emulsões monodispersas.
Conclusões A produção de emulsões em microcanais permitiu o controle do tamanho das gotas
formadas através da variação das condições de processo (vazões das fases). A viscosidade da
fase dispersa se mostrou como fator importante no tamanho das gotas. Além disso, a
composição desta fase influenciou no mecanismo de formação das gotas, sendo que, na
presença de fluidos viscoelásticos, o sistema não seguiu o mesmo comportamento dos fluidos
Newtonianos, indicando a importância de um estudo mais aprofundado sobre a emulsificação
desses materiais nos dispositivos de microfluidica.
Referências
[1] R.K. Shah et al., Materials Today 11, 18 (2008).
[2] S. Sugiura et al., Journal of Colloid and Interface Science 270, 221 (2004).
[3] Z. Nie et al., Microfluid Nanofluid 5, 585–594 (2008).
Agradecimentos Agradecemos o apoio técnico do Professor Angelo Gobbi e da Maria Helena de Oliveira
Piazzeto e a infraestrutura do Laboratório de Microfabricação do Centro Nacional de Pesquisa
em Energia e Materiais (CNPEM). Também gostaríamos de agradecer ao apoio financeiro da
FAPESP (2011/06.083-0) e do CNPQ.
*contato: [email protected]
30
Escrita direta de moldes para dispositivos
microfluídicos em PDMS utilizando laser UV
Patrícia S. Domingues, Antonio L. P. Rotondaro, Ednan Joanni
Divisão de Empacotamento Eletrônico, CTI Renato Archer, Campinas, Brasil
Resumo
Moldes de PMMA para a produção de dispositivos microfluídicos em PDMS foram obtidos através de escrita direta com laser UV pulsado. O sistema utilizado na fabricação é composto por um laser Nd:YVO4 com frequência triplicada (λ =355nm) e posicionadores de translação controlados por computador. A formação de relevo no PMMA ocorre por um aumento de volume do material na região onde incide o feixe do laser com uma densidade de energia inferior à necessária para provocar ablação. Este método possibilita a obtenção de moldes para dispositivos microfluídicos com baixa rugosidade de uma forma simples e rápida. Palavras Chave: laser UV, PMMA, moldes, escrita direta
Introdução
Dispositivos microfluídicos em PDMS necessitam de moldes, que normalmente são
obtidos por técnicas de microlitografia ou de prototipagem rápida [1]. Tais processos são
laboriosos e demorados. Em contrapartida, a escrita direta de dispositivos é atrativa pela rapidez
e simplicidade, uma vez que pode ser realizada por remoção de material [2].
Alguns polímeros sofrem inchamento quando expostos ao feixe do laser [3]. Esse efeito
foi explorado neste trabalho para a obtenção por escrita direta de moldes para dispositivos
microfluídicos.
Procedimento experimental
O sistema de processamento por laser é mostrado de forma esquemática na Figura 1.
Figura 1. Montagem utilizada para a escrita direta de moldes em placas de PMMA.
O laser pulsado de Nd:YVO4 com frequência triplicada (λ = 355nm, 20W) tem o feixe fixo.
A escrita é realizada através do movimento dos posicionadores no plano XY e o posicionador
vertical (Z) é usado para ajustar o foco. A movimentação é realizada através de um software de
controle dedicado, desenvolvido especificamente para essa aplicação.
Foram estudados os efeitos das principais variáveis de processamento sobre as
dimensões das linhas (altura e largura) e sobre a qualidade da superfície (rugosidade, bolhas,
outros defeitos). A potência do laser foi variada entre 100 e 500mW, a velocidade de translação
31
entre 0,2 e 4mm/s e o posicionamento em Z foi ajustado de forma que o diâmetro do spot
incidente na superfície variou entre 30 e 400µm.
Resultados
Explorando o fenômeno de aumento de volume localizado do polímero foram obtidas
linhas em relevo cuja secção transversal é semelhante a uma curva gaussiana com alturas
variando entre 5 e 100µm e larguras entre 50 e 400µm. A Figura 2 mostra o perfil de superfície
de um molde para dispositivo microfluídico fabricado por este método.
Figura 2. Perfil de superfície de um molde para microfluídica obtido por escrita direta.
Discussão
O inchamento do material é maior no centro do spot do laser devido à distribuição
gaussiana de intensidade ao longo do diâmetro. A altura das linhas aumenta com a potência do
laser e diminui com o aumento da velocidade de escrita. A largura das linhas segue a mesma
tendência, porém não é tão afetada por esses parâmetros. A altura máxima atingida é limitada
por dois efeitos: a formação de bolhas devido à decomposição do polímero e, para potências
maiores, a ablação do material na região central das linhas.
As condições otimizadas foram alcançadas ao desfocar o feixe sem afetar significativamente a
largura das linhas. Mais uma vez, esse resultado é devido à distribuição gaussiana de energia,
pois apenas a região central do spot tem energia suficiente para provocar o inchamento.
Conclusões
Embora o trabalho esteja ainda numa fase inicial, os resultados obtidos indicam que o
método é simples e rápido, permitindo a obtenção de moldes com qualidade de superfície
adequada à produção de dispositivos microfluídicos em PDMS.
O método será aplicado a outros polímeros e será estudada a escrita com o substrato imerso
em líquido. Espera-se a obtenção de linhas com maior altura devido ao resfriamento mais
eficiente do material.
Referências:
[1] J. C. McDonald et al., Electrophoresis 21, 27 (2000).
[2] J. Y. Cheng et al., Sensors and Actuators B 99, 186 (2004).
[3] C. K. Chung et al., Journal of Micromechanics and Microengineering 15, 1878 (2005). Contato: [email protected]
32
Estrutura compacta cruzada de micromixer com
múltiplas saídas para geração de concentração de
gradiente Christian Edward Sutmoller,a Vinicius Modolo Santos,a Renan de Siqueira Rezende,a
Chen Xiang,b Shu-Ren Hysing,b Rodrigo Octavio Mendonça Alves de Souza,c Omar
Pandoli,a,b
a. Departamento de Química, Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro (PUC-Rio); b. Department of Bio-Nano Engineering, Shanghai Jiaotong University, China; c. Laboratório de Biocatálise e Síntese Orgânica, Instituto de Química,Rio de Janeiro (UFRJ).
Email: [email protected]
Resumo Nesse trabalho são apresentados diferentes geometrias de micromixer que podem mostrar diferentes características. Utilizando o software COMSOL para a simulação computacional de fluidodinâmica foi possível testar as propriedades dos desenhos desenvolvidos. O design do micromixer com a melhor performance em termo de formação de um gradiente de concentração foi escolhido para a microfabricação. Como será demonstrado os dados teóricos simulados, para a geometria do microdispositivo escolhida, se assemelham com os dados experimentais. Para o desenvolvimento de um microreator é importante usar abordagens teóricas antes da microfabricação. Palavras Chaves: gradientes de concentração, modelagem, micromixer.
Introdução
Foi desenvolvido um micro reator compacto e simples capaz de gerar gradientes de
concentração estáveis. O objetivo é gerar um fluxo rápido das soluções reagentes e minimizar o
desperdício de matéria prima cara. A inspiração do
Gerador de Gradiente de Concentração microfluídica
veio do nó da sorte chinês. Com esse formato, é
possível ter flexibilidade no sistema de entrada e
saída. Como pode ser visto na Fig. 1 todas as unidades
dos quadrados interiores são posicionados com seus
lados paralelos a diagonal do quadrado cruzado
exterior.
Fig.1 Ilustração do design inspirado a partir de uma geometria chinesa.
As entradas são alternadas, lado a lado, e fluem para a rede de canais dividindo-se
repetidamente e difundindo o fluxo em diferentes proporções. Dessa forma um número arbitrário
de saídas pode ser criado com concentrações variadas.
Procedimento Experimental
Ferramentas Auto-CAD foram usadas em combinação com software CFD (simulação
computacional de fluidodinâmica, COMSOL) para desenhar e testar diferentes geometrias e
configurações de canais antes da fabricação e
testes experimentais. Alguns exemplos podem ser vistos na
Fig. 2. No desenho A, o sistema de entrada gera um gradiente de
pressão decrescente ao longo dos canais de entrada. No sistema
B a solução é dividida para que haja uma pressão igual em todos
os locais antes que a solução entre na matriz cruzada central.
Fig.2 Prototipagem simuladas para diferentes geometrias (as setas
indicam as entradas dos fluidos). Cada quadrado interno da matriz
cruzada tem um lado de 1000 µm. Os canais têm uma largura de 200
µm.
33
O sistema C é essencialmente oposto ao sistema A, e gera um aumento no gradiente de pressão
ao longo dos canais de entrada. No sistema D, os dois canais de entrada não possuem um canal
central principal para separar os fluxos e nesse caso o micromixer não funciona apropriadamente.
Os módulos experimentais foram fabricados com a técnica de softlitography a partir de desenhos
CAD. Depois da fabricação, o molde mestre (SU-8 sob wafer de silício) pode ser utilizado como
replicador para a criação dos microcanais com o elastômero polidimetilsiloxano (PDMS). A
réplica de PDMS com os canais impressos na superfície é unida a uma superfície de vidro através
de uma ligação ativada por um tratamento ao plasma.
Resultados e Discussão
Os resultados preliminares nos permitiram confiar na abordagem de modelagem e simulação,
além de utilizá-los para melhorar a performance do micromixer e realizar um desenho otimizado
e concluir que o sistema A deveria ser escolhido para
produção final do micromixer. Conforme nossa simulação
pode ser visto, na figura 3A-C, que o gradiente de
concentração nas saídas segue um perfil sigmoidal.
Fig. 3 O gradiente de concentração simulado (A e C) foram confirmados por analise espectroscopicas UV-Vis (B e D).
Após a produção do micromixer A, duas seringas injetaram um corante verde e água em cada
entrada com fluxo de 200 µL/min. Foi medida a concentração do corante verde nas 11 saídas,
através de espectrofotometria UV-Vis (Fig.3B-D). Os dados experimentais comparados com
aqueles simulados são mostrados na figura 3A e B. Como pode ser visto a diferença entre os
resultados simulados e experimentais são semelhantes variando somente em um canal.
Conclusão
Um Gerador de Gradientes de Concentração foi desenhado e testado com uma combinação de
programas computacionais antes da produção do micromixer com a melhor performance. Dessa
forma a etapa de microfabricação precisou ser feito somente como último passo, quando a
modelagem se aproxima, em concordância com o desenho, maximizando a probabilidade de que
o modelo de micromixer esteja eficiente e funcionando. Em comparação com a abordagem
tentativa e erro, o tempo e custo para testes experimentais (redesenhar e produzir novamente) foi
reduzido significativamente. Portanto é importante que seja escolhida uma geometria ideal antes
da produção para que se maximize a reação desejada e minimize desperdícios.
Referencias
[1] S. Selimovi; W.Y. Sim; S.B.Kim; Y.H. Jang; W.G. Lee; A. Khademhosseini; Anal. Chem. 83, 2020, (2011); [2] H. Koji; S. Shinji; K. Toshiyuki , Lab On Chip, 9,1763, (2009); [3] R. L.Smith; C. J. Demers; Collins S. D. Microfluidic and Nanofluidic, 9, 613, (2010); [4] N.L. Jeon, S.K. Dertinger, D.T. Chiu, A.D. Stroock, G.M. Whitesides, Langmuir, 16, 8311, (2000).
Agradecimentos
Esse trabalho foi apoiado pela Comissão Européia através do programa “Science &
Technology Fellowship to China”, China Postdoctoral Science Foundation e a Agência de
fomento FAPERJ.
34
Estudo do fluxo de soluções em dispositivos baseados em
papel
E.W. Nery, M. Santhiago, L.T. Kubota
IQ UNICAMP
Resumo
Sensores baseados em papel vão desde testes do tipo LFA (lateral flow assay) a dispositivos conhecidos há séculos, até a tecnologia de ponta representada pelos dispositivos microfluídicos 3D capazes de pré-tratamento da amostra, medida e apresentação dos resultados. Estamos buscando examinar o efeito de varias estratégias de imobilização e o formato da área bioativa na velocidade de fluxo. O adequado método de imobilização poderia prolongar significativamente a vida de prateleira de biosensores baseados em reações enzimáticas, e transformá-los em dispositivos reutilizáveis. A otimização do formato da área bioativa do canal e da entrada do dispositivo podem mudar drasticamente a velocidade do fluxo em dispositivo, influenciando a sensibilidade do sensor.
Palavras-Chaves: Lab-on-paper, Paper-based analytical device, Bioactive paper, System on a paper , Patterned paper device
Introdução
Sensores baseados em papel vão desde testes do típo LFA (lateral flow assay) e dispositivos
conhecidos há séculos como spot-test até a tecnologia de ponta representada pelos dispositivos
microfluídicos 3D capazes de pré-tratamento da amostra, medida e apresentação dos resultados.
Os dispositivos podem ser fabricados numa questão de minutos, por meio de técnicas simples,
tais como a pintura, a impressão, a imersão e recorte1. Estamos buscando examinar o efeito de
varias estratégias de imobilização e o formato da área bioativa na velocidade de fluxo. O adequado
método de imobilização poderia prolongar significativamente a vida de prateleira dos biosensores
baseados em reações enzimáticas, e transformá-los em dispositivos reutilizáveis. O formato da
área bioativa pode ser otimizado visando tempo de interação entre enzima e amostra. Os estudos
recentes2,3 mostram que pequenos ajustes no formato do canal ou entrada do dispositivo podem
mudar drasticamente a velocidade do fluxo em dispositivo, inlfuenciando sensibilidade do
mesmo.
Procedimento experimental
Estratégias de imobilização estudadas nesse trabalho são baseadas em diferentes
fenómenos: absorção, aprisionamento em gel (microcapsulas e método layer-by-layer) e ligação
covalente. O grupo do Yager já propôs três métodos ópticos de medição do fluxo onde o sinal foi
gerado por meio de colorimetria, fluorescência e electroquímica3,4. Dispositivos utilizados neste
estudo compreendem três regiões, uma tira de papel em contacto com uma solução, um canal
bioactivo com barreiras de cera, e uma pilha de papeis garantindo continuidade do fluxo.
Propomos duas estratégias para analisar o fluxo no canal. Na abordagem eletroquímica um
microeletrodo de trabalho de platina está posicionado na extremidade do canal, e um
contraeletrodo desenhado com lápis é pressionado contra o dispositivo com as camadas de papel.
Por injecção de uma solução de glicose ao longo do canal, é possível estimar a velocidade do
líquido. No segundo método uma solução de corante é injetada ao longo do canal e o seu
movimento é analisado por meio de uma câmera digital.
35
Resultados e discussão
Ambos os métodos de medida de fluxo propostos nesse trabalho apresentaram resultados que
podem ser aproximados por um modelo linear mostrando aplicabilidade dos mesmos. Observou-
se que em alguns casos, micro-cápsulas de alginato de sódio parcialmente fecharam parte do canal
durante a secagem, reduzindo a largura actual. O método mais simples, a absorção apresentou
menor reprodutibilidade de todos os tipos de immobilização. Já o método covalente resultou em
um resíduo químico que aumentou significativamente o sinal da linha de base na medida
electroquímica (25 nA para método covalente em comparação com ~ 0,5 - 2.5 nA para outros
métodos). O resíduo poderia também causar a retenção do corante observado no método
colorimétrico.
Conclusões
Os dois métodos de medida do fluxo apresentados nesse trabalho apresentaram resultados
consistentes com modelos de Washburn (para canais secos) e equação do Darcy (para canais
preenchidos com fluidos). Foi possível avaliar os quatro métodos de imobilização enzimatica
como também as mudanças em formato da área bioativa, do canal e da entrada do dispositivo.
Referências
[1] E.W. Nery and L.T. Kubota, Anal. Bioanal. Chem, 2013, DOI 10.1007/s00216-0136911-4
[2] E. Fu, S.A. Ramsey, P. Kauffman, B. Lutz, P. Yager, Microfluid Nanofluid (2011) 10:29– 35
[3] C. Parolo, M. Medina-Sanchez, A. de la Escosura-Muniza, A. Merkoçi, Lab Chip, 2013, 13,
386
[4] P. Kauffman, E. Fu, B. Lutz, P. Yager, Lab Chip, 2010, 10, 2614–2617
Agradecimentos
FAPESP, INCTBio, CNPq
Contato: [email protected]
36
Estudo numérico computacional para projeto de um
micro reator para produção de nanopartículas de prata
Numerical computational simulations for design of micro reactor for silver
nanoparticles production
E. Robalinho(1,2,*), E. Cekinski(3,4)
1 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-SP, Av. Prof. Lineu Prestes,
2242, Cidade Universitária, São Paulo, Brasil 2 Universidade Nove de Julho UNINOVE, Rua Vergueiro, 235, São Paulo, Brasil 3 Instituto Mauá de Tecnologia IMT, Pça Mauá, 1 São Caetano do Sul, SP, Brasil 4 Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT-SP, Av. Prof. Almeida Prado, 532,
Cidade Universitária, São Paulo, Brasil
Resumo: A aplicação de ferramentas computacionais de modelagem e simulação é de importância crucial para a solução do projeto de dispositivos de mistura de microfluidos. Este trabalho está inserido num
projeto cujo objetivo geral é o desenvolvimento de cateteres revestidos com nanopartículas de prata, para
a redução das atuais taxas de infecção relacionadas ao uso desses cateteres na prática clínica. A síntese de nanopartículas, realizada pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas, contou em sua fase de projeto com
o uso de uma ferramenta computacional de análise fluidodinâmica. Para a geometria mostrada na Figura
1, foram realizadas 25 simulações, cobrindo as combinações das variações relacionadas na Tabela 1 e correspondentes valores de vazões. A Figura 2 apresenta exemplos das melhores respostas numéricas para
as distribuições de concentração, nesta geometria.
Palavras-chaves: modelagem, microfluídica, nanopartículas de prata, simulação computacional.
Tabela 1
Dimensões das cinco variações da geometria inicial – tridente.
# simulação Largura do canal (w) (mm) Altura do canal (h) (mm) 1 0.4 0.4 2* 0.4 0.2 3 0.2 0.2 4 0.4 0.1 5 0.2 0.4
retangular; (b) detalhe do domínio, mostrando o canal principal e a saída retangular; (c) Linha média para leitura de valores de concentração. Figura 2: Resultados numéricos da simulação #2 (a) fluxo #2;
(b) fluxo #4.
Introdução:
Este trabalho insere-se no Projeto NANOBIOTEC – Nanopartículas de prata aplicadas
em cateteres intraluminais para prevenção de infecção da corrente sanguínea:
desenvolvimento do produto, testes in vitro e estudos in vivo pré-clínicos, cuja
*Configuração testada em bancada
(1 a) (1 b) (1 c) (2 a ) (2 b )
Figu ra 1: Domínio de cálculo, ( a) geometria global, mostrando as duas entradas circulares e uma saída
37
Instituição Líder é a Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo - FMUSP.
Participam ainda, o Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT, o Departamento de
Engenharia Química da UFSCar, o Instituto de Física de São Carlos – IFSC/USP, e a
empresa Ticon Ltda. O estudo apresentado refere-se a síntese de nanopartículas de prata
pela rota microfluídica, ou seja, o projeto otimizado e subsequente uso de microreatores
para a finalidade de produção das partículas desejadas.
Procedimento numérico experimental:
Trata-se de um desenho tridimensional (3D), com canais ortogonais de secções
retangulares, e possui duas entradas circulares, que originam os canais chamados Canal
Central (reagente: nitrato de prata), e Canal Redutor (reagente redutor: borohidreto de sódio). O Canal Redutor, que de fato é representado por dois canais laterais, se encontra
com o Canal Central, de forma que o fluxo total passa a percorrer apenas um canal no qual ocorre a reação de formação das nanopartículas de prata (chamado também de Canal
Principal). Este canal se estende por 6.6 mm, além dos 0.4 mm2 da região de encontro dos fluxos. Depois disso, este Canal Principal tem sua largura aumentada, num canal de saída
para coleta do produto final da reação. As condições de contorno impostas para os testes numéricos são: análise de estado estacionário; balanço de quantidade de movimento
(escoamento laminar) e balanço de massa; isotérmico; discretização do domínio em
elementos finitos com 5 camadas de parede, num total de 574.048 elementos e 235.636 nós.
Resultados e conclusões:
A convergência dos modelos propostos foi atingida de modo satisfatório. Parte-1: 22 simulações e Parte-2: 39 simulações. A caracterização da variação da concentração do
Componente A mostrou-se satisfatória, determinando para algumas proporções propostas os melhores resultados, em termos de vazões de entrada dos reagentes. Os melhores
valores de vazão observados nas análises gráficas foram 01-08, 015-015, 01-10 e 01-15, para a Parte-1 e 015-030, 02-04 e 01-02, para a Parte-2 (Figuras 3 e 4, respectivamente).
Figura 3: Respostas de concentração para Parte-1. Figura 4: Respostas de concentração para Parte-2.
Agradecimentos: IPT, CNPq, Capes, IPEN-CNEN-SP, MCT.
Referências:
D.L. Marchisio Computers and Chemical Engineering 33 (2009) 408–420.
[1] X.Y. Woo, R.B.H. Tan, R.D. Braatz Crystal Growth & Design 2009 V.9 N.1 156–
164. [3] J.B.K.; A.V.; J.P.B.; R.H.A. Physical Review Letters, v.80, n.17, 3863(4),
1998.
* e-mail: [email protected]
(3) (4)
38
Fabricação de dispositivos analíticos integrados em
plataformas de discos compactos regraváveis (cd-r)
Anderson Almeida Dias (IC) e Wendell Karlos Tomazelli Coltro.
Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO, Brasil
Resumo
Este trabalho descreve a fabricação de um microssistema eletroforético (MSE) com eletrodos integrados
para detecção amperométrica em discos compactos regraváveis (CD-R´s). O dispositivo foi fabricado
através do método de impressão direta, o qual tem por vantagem a facilidade de alinhamento manual do
eletrodo na saída do canal da eletroforese.
Palavras chave: detecção amperométrica, microdispositivos alternativos, eletroforese
Introdução
A miniaturização de sistemas analíticos tem sido foco de pesquisas que vem
crescendo nas últimas décadas devido às diversas vantagens como alto desempenho
analítico, redução do volume de reagentes e tempo reduzido de análises. Porém, o uso de
tecnologias convencionais requer um alto custo para fabricação de microestruturas e o
estudo por métodos alternativos de baixo custo vem sendo objeto de estudos da
comunidade cientifica [1]. Um dos métodos alternativos altamente promissores é o
processo de impressão direta, o qual consiste na impressão direta de imagens em filme de
poliéster ou em papel encerado (papel de etiquetas) e posterior transferência para
superfície de interesse [2]. Neste âmbito, o objetivo deste trabalho visa à fabricação de
um microdispositivo alternativo e de baixo custo empregando-se etapas de impressão
direta, transferência térmica, corrosão química e selagem via laminação.
Procedimento experimental
A camada polimérica protetora do CD foi removida com exposição a uma solução
de ácido nítrico concentrado [2]. Em seguida, a geometria dos eletrodos (largura de 300
m) e a configuração dos microcanais em cruz (largura de 200 m, profundidade de 10
m e comprimento de 3 cm) para eletroforese foram projetadas no software Corel Draw
v. 13 e impressas em folhas de papel vegetal e transparência, respectivamente. A imagem
dos eletrodos foi transferida termicamente para a superfície do CD com uma etapa de
laminação térmica. Após a transferência, a camada de ouro exposta foi corroída
quimicamente com uma solução de iodo/iodeto (1:4). Em seguida removeu-se o toner
com acetona, obtendo os eletrodos para detecção amperométrica. O microssistema
eletroforético, impresso em um filme de poliéster, foi laminado contra a base de
policarbonato contendo o CDtrodo para promover a selagem e, consequentemente, a
integração do dispositivo. O eletrodo de trabalho foi alinhado na saída do canal de
separação. A Figura 1 apresenta, resumidamente, as etapas envolvidas na fabricação do
microdispositivo proposto. A detecção amperométrica foi realizada em um
bipotenciostato da DropSens (modelo STAT 400).
39
Resultados e discussão
Os primeiros ensaios foram conduzidos utilizando-se um CDtrodo de Au como
eletrodo de trabalho e um pseudo-eletrodo de platina. Os testes foram realizados com
tampão borato 20 mM na presença de TTAB 0,02 mM, como inversor de fluxo. Uma
solução de 2 mM de iodeto foi injetada através da aplicação de um potencial de 1,5 kV
durante 10 s. Os potenciais aplicados ao canal de separação e ao eletrodo de trabalho
foram, respectivamente, iguais a 1,5 kV e 850 mV. A Figura 2 apresenta um
eletroferograma típico obtido com o microdispositivo proposto.
Conclusão
De acordo com os resultados apresentados, pode-se concluir que a metodologia
de fabricação é bastante adequada para implementação em grupos com recursos
limitados, tendo demonstrado vantagens como facilidade e simplicidade de fabricação
além de baixo custo por dispositivo. Estudos futuros serão direcionados para a
investigação das limitações e aplicações envolvendo espécies de interesse bioanalítico.
Referências
[1] W.K.T. Coltro et al., Lab Chip 7, 931 (2007)
[2] D. Daniel and I. G. R. Gutz, Electrochemistry Communications 5, 782 (2003)
Agradecimentos
FAPEG, CNPq, INCTBio e UFG (PROCOM).
Figura 1. Etapas de fabricação do microdispositivo integrado em plataforma de um CD-R.
Figura 2. Eletroferograma mostrando a detecção de iodeto (2 mM) com o dispositivo proposto.
0 30 60 90 120 150 180
Co
rre
nte
Tempo (s)
400 nA
injeção
40
Fabricação de dispositivos microfluídicos com
superfícies nanoestruturadas para detecção SERS
Grazielle O. Setti1,2; Ednan Joanni2 e Dosil P. de Jesus1,3
1 Grupo de Eletroforese e Microssistemas de Análise, Unicamp, Campinas, Brasil
2 Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas, Brasil
3 Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Bioanalítica, Brasil
Dispositivos microfluídicos de vidro/PDMS com detecção SERS foram fabricados para análises químicas. Pela primeira vez, o método de sputtering foi utilizado para deposição em microcanais de superfícies nanoestruturadas recobertas com ouro. Dois tipos de nanoestruturas foram obtidos: aglomerados de nanoparículas e nanofios. Os dispositivos com aglomerados de nanoparticulas foram avaliados com soluções de cristal violeta em diferentes concentrações. Observou-se intensidades na ordem de até 1.6x105
para o pico em 1171cm-1. Os resultados demonstram que os dispositivos com detecção SERS possuem potencial para análises químicas e que o método de sputtering é uma excelente alternativa para a deposição de nanoestruturas em microcanais. Palavras chave: sputtering, SERS, dispositivos microfluídicos, PDMS, óxidos nanoestruturados.
O avanço de pesquisas na área de microfluídica se deve a diversas vantagens, dentre as
quais pode-se citar o baixo consumo de reagentes e produção de resíduos, a diminuição do tempo
de análise, facilidade de uso e possibilidade de desenvolvimento de instrumentos portáteis de
análise [1,2]. Uma variedade de métodos tem sido utilizada para detecção em dispositivos
microfluídicos, tais como absorção na região do ultravioleta-visível, fluorescência, métodos
eletroquímicos, detecção condutométrica sem contato (C4D) e amplificação do espalhamento
Raman por superfície (SERS, do inglês surface enhanced Raman scattering). O efeito SERS é
obtido quando o analito é adsorvido a nanopartículas/superfícies nanoestruturadas de ouro, prata
ou cobre. Uma das vantagens do efeito SERS é a capacidade de detectar substâncias com
concentrações baixas [3]. O uso de SERS para detecção em dispositivos microfluídicos é focado,
principalmente, na utilização de nanopartículas de ouro e prata [2], uma vez que o crescimento de
superfícies nanoestruturadas no interior de microcanais não é um processo simples.
Nanopartículas ou superfícies nanoestruturadas dos metais citados podem ser fabricadas por
diferentes métodos físicos e químicos, mas a variedade de morfologias que podem ser obtidas é
limitada, quando comparada, por exemplo, à utilização de óxidos metálicos. Nesse trabalho,
nanoestruturas de óxido de índio dopado com estanho (ITO) foram depositadas em vidro e
recobertas com filme fino de ouro pelo método de sputtering. Microcanais fabricados em PDMS
foram selados contra o vidro contendo as nanoestruturas. O método de sputtering foi utilizado
pela primeira vez para fabricação de substratos SERS em microcanais. A eficiência do dispositivo
foi avaliada com soluções aquosas de cristal violeta e com solução de nicotina.
Procedimento experimental
Deposição das nanoestruturas: lâminas de vidro para microscópio foram utilizadas como
substrato e uma placa metálica com um orifício retangular (7x0,25mm) foi utilizada como
máscara de sombra para limitar a área de deposição. O substrato foi aquecido a temperaturas entre
200 e 300ºC. Primeiramente uma camada de 20nm de In foi depositada. Em seguida, ITO e In
foram depositados alternadamente. O tempo de 10min foi utilizado para cada deposição de ITO
e 2min para cada deposição In, totalizando 34min. A potência aplicada no alvo de In foi 20W e
no alvo de ITO 150W ou 180W. A pressão utilizada foi de 1x10-2mbar em fluxo de Ar de 10sccm.
O processo foi finalizado com a deposição de 20nm de ouro (potência de 30W, pressão de 5x10-
3mbar) sobre as nanoestruturas de óxido. Todas as nanoestruturas foram caracterizadas por
microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (FEG-SEM).
41
Fabricação dos dispositivos em PDMS: O dispositivo de PDMS foi fabricado segundo descrito
por Moreira et al. [4]. O processo consiste na mistura do polímero linear com o agente de cura na
proporção de 10:1 em massa e adição a um molde com microcanal (500µm de largura, 45µm de
altura), o qual é colocado em chapa aquecedora para o processo de cura.
Medidas Raman: um laser de 785nm e 250mW de potência foi utilizado. Soluções
aquosas de cristal violeta com concentrações de 1x10-4, 1x10-5 e 1x10-6mol/L, e de nicotina 1x10-
6mol/L foram utilizadas nos testes. Em cada medida, foram feitas 8 exposições de 10 segundos,
na faixa de 200 a 2000cm-1. A intensidade do pico obtido em 1171cm-1 foi utilizada como
parâmetro de avaliação do desempenho dos substratos nas análises do cristal violeta, e o pico
exibido em 1030cm-1 foi utilizado para análise da nicotina.
Resultados
Foram obtidas duas morfologias na deposição por sputtering (Figura 1). Na Figura 1a
observa-se a aglomeração de nanopartículas distribuídas uniformemente sobre o substrato. Na
Figura 1b observam-se nanofios com cerca de 100nm de espessura e pontas mais finas (~60nm).
A densidade de nanofios é de cerca de 2,5x109/cm2. Uma vantagem do método de sputtering é a
reprodutibilidade da morfologia dos óxidos depositados, o que é um fator importante na produção
de substratos SERS.
Foram observadas intensidades de 1,6x105, 1,7x104 e 3,6x103 para as concentrações de
cristal violeta de 1x10-4, 1x10-5 e 1x10-6 mol/L, respectivamente (Figura 1c). Foi observado
também um pico com intensidade de cerca de 2.8x103 para o pico em 1030cm-1 na análise de
solução de nicotina com os dispositivos.
Figura 1: (a) aglomerados de nanopartículas e (b) nanofios de ITO recobertos com ouro e obtidos pelo método de sputtering sobre vidro. (c) Espectros SERS obtidos na análise cristal violeta (ao redor de 1171cm-1).
Conclusões
Pela primeira vez o método de sputtering foi utilizado para depositar uma superfície
nanoestruturada de óxido metálico recoberta com ouro em um microcanal. O dispositivo fabricado
neste trabalho mostrou potencial para análise de substâncias utilizando detecção SERS. Os
resultados obtidos na análise do cristal violeta e da nicotina demonstram que essa técnica é uma
excelente alternativa ao uso de nanopartículas para a obtenção de detecção SERS em dispositivos
microfluídicos.
Referências
[1] V. Dolník, Electrophoresis, 25, 3589 (2004).
[2] L. Chen and J. Choo, Electrophoresis, 29, 1815 (2008).
[3] K. Kim and K. S. Shin, Analytical Sciences, 27, 775 (2011). [4] Moreira, N. H. et al., Lab on a Chip, 9, 115 (2009).
Contato: [email protected]
42
Fabricação de dispositivos microfluídicos utilizando
fotolitografia para aplicação em sistemas aquosos
bifásicos
Laura Lima Guaitolini, Ubirajara P. V. Junior*, Alvaro V. N. C. Teixeira.
RESUMO
Nesse projeto propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia para fabricação de dispositivos
microfluídicos e, posteriormente, a extração seletiva de íons. O método empregado é o da fotolitografia
macia, na qual microcanais são criados pela sensibilização de regiões de um material fotossensível e
remoção das partes não sensibilizadas. O fotoresiste AZ5214 foi depositado sobre um disco de silício
(limpo e hidrofilizado) utilizando-se um aparelho de Spin Coat, obtendo-se uma camada de
aproximadamente 5µm de espessura. Em seguida o fotoresiste passa pelas etapas de cura, sensibilização
e revelação.
Palavras-chave: Microfluídica, fotolitografia, dispositivos.
INTRODUÇÃO
A motivação desse trabalho está na recuperação de íons de metais pesados,
presentes em dejetos de lixos eletrônicos, baterias, circuitos eletrônicos, etc., usando
Sistemas Aquosos Bifásicos bombeados em dispositivos microfluídicos. Espera-se que
esse seja o primeiro passo para o desenvolvimento de metodologias eficazes e
economicamente viáveis para a recuperação de íons e substâncias de alto valor agregado.
O projeto do qual este trabalho faz parte propõe-se o desenvolvimento de uma
metodologia para a fabricação de dispositivos microfluídicos em chips de poli
(dimetilsiloxano), ou PDMS, e posteriormente, realizar a extração seletiva de íons. O
método empregado é o da fotolitografia macia, no qual microcanais são criados por
sensibilização de regiões localizadas de um material fotossensível e remoção das partes
não-sensibilizadas. Apresentamos, aqui, os resultados parciais referentes à primeira etapa
da preparação desses dispositivos.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL/RESULTADOS E DISCUSSAO
Para criar microcanais em PDMS utilizando a fotolitografia precisamos de uma
máscara de fotoresiste que contenha o layout que servirá de molde para a microestrutura.
O substrato no qual se cria o padrão dos microcanais é constituída de discos de silício que
foram recobertos com uma camada fina de fotoresiste (AZ5214) que é um material
sensível à radiação UV. Estão descritas abaixo as etapas necessárias para a fabricação da
máscara:
Figura 1: Foto dos discos de silício utilizados
(observar dimensão).
43
LIMPEZA: Inicialmente foi necessária uma etapa de limpeza para a preparação do
substrato a fim de evitar a presença de irregularidades e materiais particulados em sua
superfície. Os discos foram submetidos a lavagens consecutivas em ultrassom em,
sucessivamente, água deionizada, acetona, e álcool isopropílico, com duração de 5 min
cada.
HIDROFILIZAÇÃO: Detectamos a necessidade de hidrofilizar o substrato para
possibilitar a aderência do fotoresiste no mesmo. Para tanto, os discos foram imersos em
uma solução saturada de hidróxido de sódio durante diferentes intervalos de tempo de 1
a 10 minutos. Pela medição do ângulo de contato de uma gota de água com a superfície
do disco verificou-se que 10 min de imersão são suficientes para atingir um valor
satisfatório na hidrofilicidade do disco e fixação do fotoresiste. Com o processo houve
um ganho de aproximadamente 9,5º no ângulo de contato.
DEPOSIÇÃO DO FOTORESISTE: Após essa etapa, o fotoresiste foi depositado
sobre o disco, e utilizou-se um aparelho spinner para a criação de uma camada
uniforme. Testou-se a uniformidade e espessura dos filmes usando velocidades de 100 a
300 rpm por 5 minutos.
CURA: O disco já recoberto pelo fotoresiste é levado para uma estufa para uma etapa
de secagem. A espessura dos filmes foram medidas em um perfilômetro mecânico onde
obtivemos espessuras de aproximadamente 5 µm. Repetindo esse processo duas vezes
pudemos dobrar a espessura obtendo uma espessura média de (11 ± 1) µm, o que
caracteriza um filme de alta qualidade para dispositivos de microfluídica pelo pequeno
desvio padrão na espessura do filme.
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
• A hidrofilização do substrato é crucial para a formação de uma camada uniforme
de fotoresiste.
• O próximo passo consistirá na confecção dos dispositivos.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho de pesquisa foi financiado pela CAPES, FAPEMIG E CNPq
Figura 2: Ângulo de contato entre o disco de silício e
uma gota d’água antes de ser hidrofilizado.
44
Title: Fundamental aspects of laminar flow in paper-based microfluidic
devices
Authors:
Morbioli, Giorgio Gianini
Carrilho, Emanuel
Establishing diagnoses is the most efficient way to prevent and identify diseases
in developing regions, where the lack of resources and technology is a barrier. A
practical approach to overcome such a limitation is the use of paper-based
microfluidic devices (μ – PADs). Regardless of the importance of these devices
in the analytical area, the comprehension of the fundamental aspects of fluids
transport in a paper matrix is a necessary to design functional patterns. This study
is aimed at the designing of mixers, diluters and timers in μ – PADs, filtering and
separation of analytes in a complex matrix, and the understanding and modeling
of laminar flow in paper templates. Wax printing is a simple, inexpensive and fast
method through which micro-devices are fabricated. Computational simulations
based on the Lattice Boltzmann Method are expected to provide a model for the
laminar flow in the paper. The understanding of fluid transport is these devices
will broaden their potential applications for low-cost diagnoses, allowing the
design of effective mixers, filters and timers, a shortage in the field.
Keywords: Microfluidics; Wax printing; Paper-Based Microfluidic Devices (µ-
PADs); Micromixers.
45
Método colorimétrico para análises em batelada da
adulteração de etanol de postos de combustível
O etanol hidratado figura como um biocombustível “verde” alternativo em potencial
ao uso dos derivados do petróleo. Neste ínterim, ao contrário desse último, as margens de lucro
envolvidas em todas as fases de produção do etanol são muito baixas o que redunda em sua
adulteração de forma ilegal por alguns proprietários de postos de combustível. O etanol hidratado
é um combustível renovável e sua tecnologia de produção se encontra disponível no Brasil. Nesse
caso, o método de adulteração mais usual é a adição de água em quantidades maiores ao valor
limite preconizado pela Agência Nacional do Petróleo (ANP) que é de 4,9% v/v para o etanol
hidratado. A adulteração gera danos ambientais devido à queima incompleta do biocombustível
e perda de arrecadação tributária por parte do governo. Em adição, problemas relacionados ao
funcionamento do motor e ao tempo de vida de peças automotivas são observados. O etanol é um
combustível de índice de lubricidade baixo; mediante a adição de água – em especial quando em
excesso, esse índice é ainda mais reduzido. Logo, algumas das peças vitais ao bom funcionamento
do motor, como válvulas, sedes de válvulas, guias e anéis de segmento, passam a ter um tempo
útil menor. Os métodos oficiais utilizados pela ANP para controle e determinação do teor de água
em etanol incluem o uso de marcadores (corantes) e a titulação por Karl Fischer. O primeiro
apresenta como limitação o seu custo comercial elevado dadas as patentes em vigor no que
concerne aos corantes adotados no teste. A técnica de titulação, por sua vez, exibe níveis de
especificidade baixos em função da facilidade de redução eletroquímica do Iodo gerando desvios
positivos nas respostas de concentração obtidas pelo método. Neste contexto, desenvolvemos um
método colorimétrico como alternativa de análise de baixo custo e seletiva para análise
quantitativa da adulteração de etanol por água. Esse baseia-se em reações de complexação entre
o etanol e Cério (IV), gerando o complexo (NH4)2Ce(NO3)6 e, por seguinte, uma mudança de
coloração do meio reacional conforme ilustra a reação abaixo:
(Reação 1)
A mudança de coloração observada na Reação 1 foi medida utilizando-se um colorímetro
desenvolvido em nosso grupo. Concentrações distintas de cério (0,2 e 0,4 M e ácido nítrico (0,2
e 0,4 M) foram avaliadas mediante o cálculo da relação sinal/ruído objetivando a escolha de
condições ideais no tocante a melhores níveis de sensibilidade do método. Tais condições foram:
0,2 mol L-1 de (NH4)2Ce(NO3)6 e 0,4 mol L-1 de HNO3. Posteriormente, para construção da curva
de calibração, foram preparadas soluções de etanol nas concentrações de 0,50 a 1,25 % v/v em
água. As medidas foram realizadas utilizando-se um colorímetro de instrumentação home-made
(70x70x40) (mm) e um amostrador para análises em batelada. Esse consistiu de uma placa de
acrílico 180 mm de comprimento por 30 mm de largura, incorporando reservatórios de 110 µL (o
volume da gota adicionada é de 100 µL) posicionados em série e espaçados por 15 mm. Após a
adição de etanol nos reservatórios, colocou-se 50 μL da solução complexante nas concentrações
ideias supracitadas e tão logo a aquisição do sinal analítico foi processada. Um perfil genérico
desse sinal, expresso em unidades de potencial elétrico, é ilustrado na Figura 1 a. O potencial de
pico e o perfil gaussiano do sinal se devem à conformação espacial da gota presente nos
reservatórios do amostrador. A curva de calibração obtida pode ser vista na Figura 1 b.
46
Figura 1a. Perfil genérico do sinal do colorimetro. Figura 1b. Curva de calibração do método colorimétrico (n=3).
Ao analisar a curva de calibração, observa-se uma linearidade satisfatória (R²) e uma
sensibilidade analítica (S) apreciável para a determinação de etanol, o que expressa uma alta
capacidade do método para mensurar variações pequenas na concentração do analito (0,2%). O
limite de detecção obtido (LD = 0,1%) esta de acordo com o método desenvolvido, visto que é
necessária uma diluição prévia da amostra na verificação do grau de adulteração do
biocombustível de etanol pois ele se encontra em excesso na matriz. O teste de recuperação das
amostras padrão e real foi verificado e pode ser visto na Tabela 1.
Tabela 1. Teste de recuperação a amostras padrão e real
Amostra Karl Fischer (%) Método Colorimétrico (%) Teste t de Student (2,776)
Etanol anidro (99,9%) 99,64 98,57 0,2001
Etanol 88% v/v em H2O 84,78 86,71 0,3258
Etanol 92% v/v em H2O 89,31 93,78 1,8555
Etanol 95% v/v em H2O 92,95 95,94 1,1037
Biocombustível comercial 92,89 96,51 1,8133
Percebe-se que a melhor recuperação foi relacionada ao Etanol anidro, sendo este o que
possui o menor valor no Teste t de Student. Comparando-se com os dados da técnica padrão de
análise de umidade (Karl Fischer), observa-se que todos os resultados obtidos pelo método
colorimétrico apresentaram níveis de exatidão estatisticamente satisfatórios de acordo com o
Teste t considerando-se 3 graus de liberdade.
A plataforma analítica desenvolvida neste trabalho mostrou-se um método point-of-care
alternativo potencial para a análise da adulteração de etanol de postos de combustível. Suas
vantagens principais incluem: i) baixo custo, ii) simplicidade operacional, iii) portabilidade e iv)
exatidão. Nas próximas semanas, estudos acerca da cinética da reação de complexação serão
realizados afim de se avaliar a estabilidade do complexo gerado.
47
Microaerossóis gerados por atomizadores de ondas
acústicas superficiais
O. V. Balachova, S. M. Balashov, A. Pavani Filho, M. G. de Almeida
Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas – SP
Um dispositivo atomizador, cujo fiuncionamento é baseado na propagação e concentração de ondas
acústicas superficiais (surface acoustic waves - SAW), foi usado para geração de microaerossóis de
água. Foi feita uma análise de distribuição de microgotículas dos aerosossóis gerados em regimes
de atomização avulsa e contínua. Foi mostrado que a distribuição de diâmetros de microgotículas
em aerossóis gerados em regime de fluxo contínuo é mais uniforme em função do tempo que em
aerossóis avulsos. O estudo de aerossóis demonstrou também o efeito de frequência de RF em
relação ao tamanho de gotículas atomizadas.
Palavras-chaves: atomização por SAW, microaerossóis
Introdução A última década do século XX e começo do século XXI são caracterizados pelo
desenvolvimento de nanotecnologias e sua crescente influência na sociedade moderna. A
tendência geral de miniaturização de dispositivos afetou diferentes áreas de pesquisa aplicada.
Agora, por exemplo, muitos esforços científicos têm sido concentrados no desenvolvimento de
técnicas de obtenção dos filmes ultrafinos e uniformes para serem usados como camadas sensíveis
em miscrosensores. Nesse especto, a técnica de obtenção dos filmes a partir de microaerossóis
obtidos pela técnica de atomização de SAW parece ser uma solução promissória [1]. Estudo dos
aerossóis gerados é uma etapa importante para melhor entendimento do processo e, portanto, para
desenvolvimento e aprimoramento da técnica.
Procedimento experimental Os aerossóis foram obtidos pelo método de atomização de SAW usando um atomizador
simétrico com transdutores retos e com diferentes frequências centrais. Princípio de
fincionamento do dispositivo atomizador de SAW foi descrito em [2].
Existem dois regimes de atomização de líquidos: avulso e contínuo. O primeiro é quando
somente uma gota é atomizada pelo atomizador. Neste caso, o volume do líquido é controlado por
uma micropipeta. Nós trabalhamos com microgotas de volume no intervalo de 0,5 µl a 3 µl. Para
trabalhar no regime de fluxo contínuo, foi projetada e fabricada uma bomba de injeção de fluídos.
Ela permite fornecer substâncias líquidas, através de uma agulha, com uma velocidade regulável,
formando microfluxos constantes na saída da agulha. Para controlar melhor esses microfluxos na
saída da agulha é instalado um capilar de cerâmica. Os líquidos são contidos dentro de seringas
que fazem parte do dispositivo. A velocidade de saída de líquido estáva dentro do intervalo de 0,2
µl/s a 0,5 µl/s.
Os aerossóis foram analisados pelo analisador de sprays Spraytec da Malvern.
Resultados e discussão Como nós podemos ver (fig. 1a), o tamanho de gotículas atomizadas pelo regime avulso
varia com o tempo: nos primeiros momentos de atomização são geradas gotículas de diâmetros
maiores (50-60 µm) do que nos últimos momentos do mesmo processo (20 µm), mas o pico de
gotículas de diâmetros de 1,8-2,0 µm permanece constante. Essa distribuição não uniforme de
diâmetros é relacionada à aproximação de águas profundas no começo do processo de atomização
e à aproximação de água rasa alguns instantes depois.
Para o regime contínuo de atomização é possível estabilizar o processo e obter uma
distribuição uniforme de diâmetros de partículas em aerossol (fig. 1b).
48
para os regimes de atomização avulsa (a) e contínua (b). Fc = 10 MHz.
O estudo de aerossóis demonstrou o efeito de freqüência de RF em relação ao tamanho
de gotículas atomizadas (fig. 2). As medidas no analisador de sprays Spraytec mostraram que com
a redução de frequência de RF houve um aumento de tamanho de partículas nos aerossóis. Para
micropartículas de água, por exemplo, os diâmetros menores, de 8 µm, foram observadas para RF
de 27,3 MHz, e os maiores, de aproximadamente 50 µm, foram observadas para RF de 9,85 MHz.
O efeito de freqüência em relação ao tamanho de microgotas está de acordo com outras pesquisas.
Fig. 2. Distribuição percentual de microgotas em aerossóis de água em função de RF.
Conclusões A distribuição uniforme de diâmetros de microgotículas em aerossóis gerados pelo método de
atomização de SAW pode ser obtida em regime de fluxo contínuo. Isso pode ser usado nos
processos de obtenção de filmes finos de pela técnica de SAW.
Agradecimentos Esse trabalho foi executado no CTI Renato Archer com apoio financeiro do CNPq/MCT.
Referências
[1] O.V. Balashova, S.M. Balashov, A. Pavani Filho, Smart nanocomposites 3 (2) 89 (2012). [2] O.V. Balashova, S.M. Balashov, A. Pavani Filho, M.G. Almeida, ECS Transactions 31 (1) 267 (2010).
Endereço eletrônico de contato: [email protected]
49
Microfluidic formation of pDNA/cationic nonviral
nanocarriers for in vitro gene delivery
Tiago A. Balbino1*, Juliana M. Serafin1, Marcelo B. de Jesus2, Lucimara G. de La Torre1
1School of Chemical Engineering, University of Campinas, Brazil; 2Institute of Biology, University of Campinas, Brazil.
Abstract
In this work we studied the microfluidic formation of nonviral systems for delivery of plasmid DNA (pDNA)
using a hydrodynamic flow-focusing microfluidic device. We explored the complexation between the pDNA and three different cationic nonviral nanocarriers: cationic liposomes (CL), poly(ethylene imine) (PEI),
and peptide with nuclear localization signals (NLS). We investigated the influence of the complexation
method for preparing complexes at critical molar charge ratios (close to the isoneutrality region) for each nanocarrier. The results showed that the complexes formed by the microfluidic method presented lower
values of particle size and polydispersity index when compared to the conventional bulk mixing (BM) method, indicating a better control of the complex formation, which may yield in the increase of in vitro
transfection efficiencies.
Keywords: Microfluidics, cationic liposome, poly(ethylene imine), peptide, gene delivery.
Introduction
Gene delivery is a promising method for treating different diseases, including tuberculosis,
gene-related disorders, and cancer. However, the efficient delivery of the plasmid DNA into the
cell nucleus requires the nucleic acid protection against nucleases and interstitial fluids [1]. In this
context, aiming the delivery of nucleic acids to target cells with high transfection efficiencies, a
wide variety of cationic nonviral vectors is studied, such as cationic liposomes (CL) [1],
poly(ethylene imine) (PEI) [2] and peptides with nuclear localization signals (NLS) [3].
Liposomes are self-assembled phospholipid aggregates that mimic the cell membrane. The use of
cationic lipids allows the formation of CL that can form complexes with pDNA. PEI is a positively
charged polymer well-known as nonviral vector system for the delivery of various nucleic acids
in gene delivery applications. NLS consists of a short peptide sequence with cationic surface net
charge that allows association of the molecule with specific cargo proteins to provide nuclear
transport.
The spontaneous complexation process between pDNA and the cationic nanocarrier relies
on pDNA packing. Depending on carrier characteristics, molar charge ratio between positive
charges from the carrier and negative charges from the pDNA (R+/-), temperature of complexation,
solution concentrations, among others, complexes with different characteristics can be obtained,
resulting in different biological behavior. Currently, the conventional method of preparing
nonviral complexes is the bulk mixing (BM) process, in which the two solutions are mixed by
pipetting. However, the BM process may yield unpredictable and poorly reproducible transfection
results. In this fashion, microfluidics emerges as a promising alternative to produce nonviral
complexes with a narrow particle size distribution and polydispersity for better reproducibility of
gene transfection studies, following the requirements for applications in gene therapy and DNA
vaccination.
Material and Methods
CL were prepared by thin film method and were composed of Egg phosphatidylcholine
(EPC), 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE) and 1,2-dioleoyl-
3trimethylammonium-propane (DOTAP) (50/25/25% molar) (Lipoid). Branched
polyethylenimine (PEI) 25 kDa was purchased from Aldrich (St. Louis, MO). The NLS peptide
was synthesized as described previously [3]. We used a hydrodynamic flow-focusing microfluidic
50
device with a depth of ~100 m and a width of 120 m, constructed by soft lithography (PDMS
bounded to glass); to produce the complexes, the pDNA solution was injected in the middle
stream and was compressed by the two side cationic carrier streams. The complexes produced by
the BM process were used as comparison, and were prepared by adding the appropriate amount
of pDNA to the cationic carrier, and mixed by pipetting. All complexations were carried out with
temperature control of 4°C. The average hydrodynamic diameter and size distribution were
measured by dynamic light scattering (Malvern).
Results and Discussion
We investigated the formation of complexes between pDNA and the cationic nanocarriers
composed of CL, PEI and NLS, using a microfluidic hydrodynamic flow-focusing device. We
explored the formation of complexes in BM and microfluidic methods at R+/- close to the
isoneutrality region, in which the colloidal properties of the complexes tends to be more
uncontrolled when prepared by the BM method. The results for both complexation methods
showed that the complexes had a similar particle size behavior for the nanocarriers studied: with
a decrease in the molar charge ratio (lower R+/- values), the complexes had an increased in particle
size. However, the BM method produced complexes with larger particle size and higher
polydispersity for CL and PEI, when compared to the microfluidic method.
The pDNA/CL complexes produced at R+/- 1.5 presented particle size and polydispersity
index of 278.8 ± 197.9 nm and 0.451 ± 0.218 for the microfluidic method, against 435.7 ± 122.9
nm and 0.986 ± 0.025 for the BM method. The pDNA/PEI complexes produced by the
microfluidic method, at R+/- 2.5, presented particle size and polydispersity index of 398.6 ± 80.3
and 0.720 ± 0.206, against 3372.7 ± 191.6nm and 0.927 ± 0.126 for the BM method. In the study
of the pDNA/NLS complexation, the effects of molar charge ratio was less pronounced on the
particle size and polydispersity using both methods, which varied between 60 and 70 nm, and 0.3
and 0.4, respectively. These results together show the potential of using hydrodynamic flow-
focusing microfluidic devices to provide better control of particle size than the BM complexation
method for forming nonviral gene delivery systems, which is supposed to increase the efficiency
and reproducibility of in vitro transfections.
Conclusion
We have demonstrated the feasibility of using microfluidic device with the hydrodynamic
flow-focusing technique for the continuous formation of complexes between pDNA and three
different nonviral nanocarriers: CL, PEI and NLS. The results showed that is possible to achieve
complexes with better colloidal control when compared to complexes obtained by the BM
method.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge the financial support of the Fundação de Amparo à
Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP – Brazil) and Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq – Brazil).
References
[1] Balbino et al., Langmuir 28, 11535 (2012).
[2] Debus et al., Lab Chip, 12, 2498 (2012).
[3] Rosada et al. J Colloid Interface Sci, 373, 102 (2012)
*Corresponding author: [email protected]
51
Mimetização de vasos sanguíneos em dispositivo
microfluídico de poliéster-toner (pt)
Ana Carolina Urbaczek; Fayene Zeferino Ribeiro de Souza; Juliana Vieira Alberice; Iracilda
Zeppone Carlos; Emanuel Carrilho
Células que compõem os órgãos sofrem variações dinâmicas que são cruciais para sobrevivência, crescimento e funcionalidade teciduais. Culturas de tecidos tradicionais não consideram estas variações e as respostas não representam a realidade “in vivo”. Modelos animais apresentam altos custos, as respostas podem divergir em humanos e principalmente, são eticamente questionáveis. Assim, órgãos-em-chips são capazes de mimetizar estruturas e funções complexas, aproximando-se do “in vivo”. Na busca por materiais alternativos e métodos simples e baratos de microfabricação, este estudo teve como objetivo o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos de PT que mimetizassem vasos sanguíneos. Células HUVEC
introduzidas no microchip foram perfundidas a 2 L/min por 12 horas com meio de cultura e estas foram capazes de sobreviver por pelo menos 24 horas à mais do que o controle estático. Concluímos que o microchip PT foi capaz de proporcionar sobrevivência e aderência celular, suportar a pressão da vazão, além de demonstrar a importância da fluídica para a manutenção das células. Na sequência, serão feitos estudos morfológicos e imunológicos sob diferentes tratamentos.
Palavras-chave: microchips; poliéster-toner; células; microfluídica.
52
Mistura e diluição em dispositivos microfluídicos
baseados em papel Giorgio Gianini Morbioli* e Emanuel Carrilho
RESUMO
Diagnósticos são a maneira mais eficiente para se prevenir e tratar corretamente doenças em regiões em desenvolvimento, nas quais equipamentos e reagentes são recursos impeditivos. Uma maneira prática para superar tais limitações é o uso de dispositivos microfluídicos baseados em papel. Ainda que tais dispositivos apresentem importância na área de diagnósticos, os aspectos mais fundamentais do transporte de fluidos em matrizes de papel não são totalmente compreendidos. O objetivo desse estudo é a compreensão do fluxo laminar de fluidos em papel, desenvolvendo misturadores e diluidores. A impressão em cera é uma tecnologia capaz de construir os dispositivos, no qual baixo custo e rapidez são propriedades de fabricação desejáveis. Simulações computacionais, baseadas no Lattice Boltzmann Method, devem fornecer modelos para o fluxo no papel, promovendo avanços significativos na área. Palavras-Chaves: Microfluídica; Micromisturadores; Dispositivos Microfluídicos Baseados em Papel (µPADs). INTRODUÇÃO
Diagnósticos corretos e precisos são a primeira etapa para a prevenção e o tratamento de
diversas doenças. Entretanto, nos países em desenvolvimento, as tecnologias em diagnóstico
necessárias não estão disponíveis para grande parte da população.
Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), os dispositivos diagnósticos destinados aos
países em desenvolvimento devem ser de baixo custo; sensíveis, apresentando poucos falsos-
negativos; específicos, apresentando poucos falsos-positivos; fáceis de manipular, dispensando
treinamento; rápidos e robustos, sem a necessidade de armazenamento especial; dispensar uso
de equipamentos e serem disponíveis àqueles que necessitam (ASSURED Challenge). [1]
Os dispositivos microfluídicos em papel (microfluidic paper-based analytical devices – μPADs)
são baratos, de fácil manipulação / transporte / armazenamento, atendendo grande parte dos
requisitos. Uma vantagem adicional de tais dispositivos é a força capilar proveniente da matriz,
eliminando-se a necessidade da utilização de forças motrizes externas. [2] Introduzindo-se
diretamente uma amostra complexa nos µ-PADs, e possibilitando um ensaio com resultados
quantitativos rápidos, diminuem-se os custos do processo; a utilização de solventes / amostras;
o tempo de espera para obtenção de resultados, além de facilitar o acesso aos diagnósticos
pelos países em desenvolvimento. Assim, a criação e otimização de misturadores, diluidores,
temporizadores, e sistemas de separação cromatográfica nos µ-PADs torna-se necessária,
permitindo a evolução dos sistemas de análise total (μ-TAS), além de auxiliar no modelamento
da dinâmica dos fluidos em fluxos laminares, aumentando seu entendimento.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os dispositivos foram modelados utilizando-se o programa Corel Draw X6®, utilizando
inicialmente geometrias simples de canais, para avaliação do fluxo nestas estruturas, visandose
a mistura / diluição. Os dispositivos foram impressos em papel cromatográfico Whatman nº 1,
com cera, submetidos a um tratamento térmico posterior, para permitir a permeação da cera
no papel.
53
Os dispositivos foram alocados em uma superfície plana, alocando as entradas do dispositivo em dois recipientes contendo fluidos distintos: (i) uma solução ácida de HCl (0,01 mol.L-1) e (ii) uma solução de cloreto de potássio (0,01 mol.L-1), registrando a mobilidade dos fluidos nos canais e a difusão protônica na interface. Traçaram-se curvas analíticas para a mudança de coloração do indicador ácido-base azul de
bromofenol em soluções-tampão na faixa de pH 2,5 a 5,0, para quantificar a diluição / mistura
nos dispositivos (Figura 01-a).
RESULTADOS & DISCUSSÃO
Em fluxos laminares, tal como ocorre nos dispositivos microfluídicos baseados em papel, a
mistura ocorre devido à difusão molecular na interface entre dois fluidos (movimento
Browniano), e por diferenças nos potenciais químicos. Este processo requer distâncias longas (~
7 cm) centenas de vezes maiores que os canais (10 a 100 µm) [3], e um tempo apreciável para
ocorrer (1:15 h), tal como apresentado na Figura 01-b, demonstrando a necessidade de se
estudar e aperfeiçoar estes aspectos nos µ-PADs, para aplicação em testes diagnósticos.
intensidade média de pixel e o pH da solução. (b) Dispositivo em T utilizado para promover a mistura das soluções. Observa-se a mudança gradual de coloração no dispositivo até 7,7 cm, quando não há mais modificação. CONCLUSÕES
Concluímos que apenas o movimento Browniano não seria capaz de promover a mistura nos
dispositivos, dada sua própria natureza. Demonstra-se assim a necessidade de se alterar a
geometria dos dispositivos, para diminuir o tempo de diluição e o consumo de reagentes.
Trabalhos adicionais envolvem simulações computacionais utilizando-se o Lattice Boltzmann
Method, para modelar o fluxo em sistemas porosos miniaturizados.
REFERÊNCIAS
[1] PEELING, R.W., HOLMES, K.K., MABEY, D., RONALD, A. Sex Transm Infect, 82, (2006) [2] MARTINEZ, A. W., PHILLIPS, S. T., CARRILHO, E., III, S. W. T., SINDI, H., & WHITESIDES, G. M.
Analytical Chemistry, 80(10), (2008) [3] WHITESIDES, G. M. Nature, 442(7101), (2006) AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico) e ao INCT-BIO (Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Bioanalítica). *email:
( a ) ( b )
Figura 1: (a) Curva analítica traçada para o indicador azul de bromofenol, apresentando boa correlação entre a
54
Pinched injection of Saccharomyces cerevisiae cells into
a PDMS microfluidic device build up using a direct laser
patterned mold
D.S. de Lara1*, M.H. Piazzeta2, F.Y. Ushikubo3, S.A. Moshkalev1, J.W. Swart4
1 CCS – UNICAMP, Rua João Pandiá Calogeras 90, 13083-870, Campinas SP, Brasil 2 LMF – CNPEM, Rua Giuseppe Máximo Scolfaro 10.000, 13083-970, Campinas, SP, Brasil. 3 DEA, FEA – UNICAMP, Rua Monteiro Lobato 80, 13035-388, Campinas, SP, Brasil. 4 FEEC–
UNICAMP, Avenida Albert Einstein 400, 13083-852, Campinas, SP, Brasil.
Abstract
This work presents the fabrication of a microfluidic device based on Si/SU-8 mold and PDMS top-covers.
The mold was fabricated by direct laser patterning of a ~50 m thick SU-8 layer deposited onto silicon
substrate. The laser wavelength used was of 375nm and the power density was of 18mW/cm2. This
procedure leads to channels formation of ~50 m width. The PDMS was spilled over the mold and dried at
100ºC for 45minutes using a hot plate. This PDMS structure was peeled from the Si/SU-8 mold and bonded
with a 4-inch glass plate. Prior to bonding, both the glass and the PDMS top-cover were plasma treated
(O2, 70mTorr, 100W, 15s). The so build microfluidic device was used for pinched injection of the cells
responsible for alcohol fermentation. The focus of this project is to characterize these cells in order to diminish the losses during the ethanol production process.
Keywords: microfluidic; direct laser patterning; SU-8/PDMS molds; Saccharomyces cerevisiae cell, ethanol production.
1. Introduction
In the last decades there is a large interest for the development microfluidic devices applied
especially to molecular biology. Photoplastics and replication technology are the keys for
achieving high aspect ratio structures for microfluidic devices [1, 2]. Among these materials, the
SU-8, a negative type epoxy-based photoresist, is the most popular one due to its easiness in
molding and fabrication as well as to its cost effective when compared to Si and glass
micromachining [2]. Pinched injection is a technique used for individual cells studies [3].
2. Experimental procedure
SU-8-50 was spinned over the polished side of a Si wafer using two different spin rotations:
500rpm for 5s and afterwards 2000rpm for 25s. For the pre-exposure bake, the SU-8 thick film
was dried onto a hot plate at 65ºC for 5 minutes and subsequently at 95ºC for 15 minutes. After
designing the channels composing the device (AutoCad 2005), direct laser writing ( PG 101 –
Heidelberg Instruments) was used for sensitizing and shaping the film using a power density of
18mW/cm2 for 4 hours. A post-exposure bake process was performed at 95ºC for 15 minutes and
the revelation was conducted for 4minutes. The hard-bake was carried out at 110ºC for 20
minutes. The SU-8 structure was morphologically characterized by profilometry and optical and
scanning electron microscopy (SEM). The PDMS microfluidic device was build up using the
Si/SU-8 mold, a sealing ring and acrylic pieces. This mounting system prevents both the drain of
the PDMS as well as keeps the micro-hose (2.2mm external diameter) in place over the Si/SU-8
mold reservoir. PDMS drying agent was added to 15g of PDMS (1:10), spilled over the above
presented montage configuration and dried onto a hot plate at 100ºC for 45minutes. This PDMS
55
structure, containing the hoses, was peeled from the Si/SU-8 mold and bonded with a 4-inch glass
plate. Prior to bonding, both the glass and the PDMS top-cover were plasma treated (O2, 70mTorr,
100W, 15s).
The pinched injection of the liquids was made using a commercial syringe pump equipment (PHD
22/2000 – Harvard Apparatus) pressing two 5ml (water) and a 0.5ml (cells/water) syringes.
3. Results and discussion
Figure 1 presents the pinched injection set-up (Fig. 1a), the schematic drawing of the writing
pattern for the SU-8 mold (Fig. 1b) and an optical image of the channels during the pinched cells
injection (Fig. 1c). The SEM and optical microscopy investigations indicated that the channels
are flaws free and have a height of 65 m and ~50 m width. Pinched injection of the
Saccharomyces cerevisiae cells was conducted with success in a device build without photo-mask
lithography. The red circle in Figure 1c indicates the possibility of individual cells passing in the
main channel, draining through its center.
Figure 1: (a) Pinched injection set-up; (b) schematic drawing of the writing pattern; (c) optical
image of the channels during the pinched cells injection.
4. Conclusion
In conclusion, the SU-8 mold was fabricated through direct laser pattering, leading to cost and
process stages reduction. The PDMS/glass device presented no leaks during the injection
procedure. Pinched injection of Saccharomyces cerevisiae cells was successfully conducted under
stable flows, suggesting good conditions for individual cells injection.
Acknowledgments
All the authors acknowledge the financial support of FAPESP, CAPES and CNPq foundations.
D.S. de Lara acknowledges the technical support of the CCS, Lamult-IFGW and FEA staff,
especially L. Espindola, A.G. Shirazi, S. Parada, E. Gemis, D. Oliveira and C. Andrade. A special
thank to Dr. R. Savu for the helpful discussions.
References
[1] E. Rabe, J. Micromech. Microeng. 17, 1664 (2007).
[2] H. Sato, J. Micromech. Microeng. 16, 2318 (2006).
[3] P.C.H. Li, CRC Press, Taylor&Francis Group, United States of America (2006).
*Daniel Silva de Lara: [email protected]
56
Plataformas microfluídicas híbridas vidro/SU-8 para
aplicações eletrocinéticas
Alessandra M. Monteiro, Renato S. Lima, Paulo C. Leão, Maria H. O. Piazzetta, Ângelo L. Gobbi, Luiz H. Mazo e Emanuel Carrilho
RESUMO: Neste trabalho descrevemos a fabricação e caracterização de microchips
híbridos (vidro/SU-8) para aplicações eletrocinéticas. Um procedimento alternativo de
selagem, que utiliza um filme de SU-8 como camada intermediária, será apresentado. A
configuração desenvolvida agrega as vantagens de ambos os substratos, incluindo: i)
simplicidade na fabricação, ii) alta compatibilidade para a integração de componentes
óticos e eletroquímicos, iii) mobilidade do fluxo eletrosmótico (μEO) elevada e estável e
iv) satisfatória capacidade de dissipação de calor. As mobilidades do fluxo eletrosmótico
foram medidas em função do pH utilizando o método de monitoramento de corrente e a
capacidade de dissipação de calor foi investigada através das curvas de Ohm obtidas
para a caracterização dos microchips de vidro e vidro/SU-8.
Palavras chave: Microchips, Selagem, Camada intermediária, Eletroforese.
As técnicas convencionais utilizadas para a selagem de microchips vítreos se baseiam em métodos geralmente assistidos por temperatura ou campo elétrico. Para tanto se faz necessário a utilização de substratos extremamente planos e limpos, que por sua vez requerem etapas sequencias e laboriosas de limpeza. Além disso, condições extremas de pressão, temperatura e potencial elétrico, usualmente empregadas, podem inviabilizar a integração de eletrodos, bem como gerar estresse térmico e defeitos na estrutura do material vítreo.
Para minimizar tais limitações, apresentamos um método de selagem simples, rápido e de baixo custo para a produção de microchips híbridos, constituídos por substratos de vidro e uma camada de fotorresiste (SU-8). Previamente às etapas de fabricação (Figura 1) as lâminas vítreas foram limpas em solução piranha (H2SO4/H2O2; 3:1, v/v) por 10 min, sendo posteriormente desidratadas em uma placa térmica, a 120 °C por 30 min. A Figura 2a apresenta uma fotografia obtida de um microchip selado através do método desenvolvido e uma imagem do microcanal e das regiões contendo air-trapping, obtida por perfilometria (Fig. 2b).
Para a obtenção de imagens por microscopia eletrônica de varredura (SEM), um microchip híbrido (vidro/SU-8) foi cortado a fim de expor sua secção transversal, conforme mostrado na Figura 3a. A caracterização elétrica dos microdispositivos híbridos e vítreos (obtidos por selagem térmica) foi realizada, sendo os resultados expressos na Figura 3b e 3c. Os valores de μEO foram semelhantes para ambos os chips, com mobilidades da ordem de 4,0 a 4,5 x 10-4 cm2 V-1 cm-1. Apenas em intensidades de
57
campo elétrico superiores a 580 V cm-1 foram observados desvios da Lei de Ohm. Figura
3. Imagens do microcanal e caracterização de microdispositivos de vidro e vidro/SU-8. Microscopia da secção transversal de microcanais semiesféricos (a), μEO relacionado ao pH do tampão fossfato (10 e 20 mmol L-1, para uma intensidade de campo eléctrico de 400 V cm-1) (b), e curvas de Ohm obtidas comm tampão fosfato (20 mmol L-1, pH 8.0) (c). Inserção 1, imagem amplificada da lâmina revestida pela camada inntermediária de SU-8.
O método proposto mostrou ser uma alternativa promissora para a fabricação de plataformas microfluídicas, uma vez que não se fez necessário a utilização de valores elevados de temperatura e/ou pressão para a selagem dos dispositivos, evitando, portanto, estresse térmico e imperfeições. O uso de zonas contendo air-trapping evitou a formação de bolhas e falhas na selagem dos substratos. Finalmente, cabe ser destacado que a mobilidade do fluxo eletrosmótico gerada nos microcanais da configuração híbrida apresentou-se estável, sendo os dispositivos adequados para aplicações eletrocinéticas.
Referência:
[1] Shang, F.; et al.; Electrophoresis 33, 105 (2012).
Email: [email protected]
Figura 1. Etapas de microfabricação. A, deposição de SU-8 sobre uma lâmina
de vidro; B, aquecimento a 65°C durante 1.0 min e 95°C durante 2.5 min; C,
pré-cura a 95°C durante 2.5 min comprimindo a lâmina contra a substrato
(contendo os microcanais e air-trapping); D, exposição do microchip à luz
UV durante 1.0 min, para ativar o fotoiniciador de polimerização e E,
aquecimento a 65°C durante 1.0 min e 95°C durante 1.0 min. Insets: 1, vista
amplificada da lâmina de vidro no spinner e 2, camadas que compõem o
microchip. Previamente a estes passos, as lâminas foram lavadas e
desidratadas em placa térmica.
Figura 2. Foto do
microchip selado (a) e
imagem da profiloometria
do microcanal e regiõess
com air-trapping (b). m,
mmicrocanal; t,
airtrappinng, r,
reservatório; S1, lâminaa de
vidro revestida de SU-8, e
S2, lâmina de vidro
incorpoorando m e t.
58
Produção de partículas de alginato utilizando
dispositivo de microfluídica
Samuel Arruda Arcanjo, Danilo Machado Fulgêncio, Alvaro Vianna Novaes de Carvalho
Teixeira.
Resumo
Emulsões podem ser produzidas pela simples agitação de dois líquidos imiscíveis, gerando, a dispersão de um líquido em outro. Entretanto, quando se deseja produzir um sistema com tamanhos de gotas regulares e com baixa dispersão de tamanhos, torna-se necessário a utilização de técnicas mais sofisticadas. Neste trabalho, desenvolve-se uma metodologia para a produção de partículas de alginato a partir da produção de uma emulsão do tipo água em óleo utilizando dispositivo de microfluídica construído a partir do uso de tubos capilares de vidro. Esta metodologia permite a produção de partículas com boa regularidade de tamanhos e com um formato bem esférico. Devido ao fato de as gotas serem produzidas no dispositivo, pode-se controlar as vazões de cada componente, o que viabiliza a produção de partículas de tamanhos
variados. Palavras Chave: emulsão, alginato, microfluídica.
Introdução
A utilização de diferentes estratégias para a produção de emulsões tem sido muito
explorada na indústria alimentícia, farmacêutica e de cosméticos empregando diferentes
componentes. Sendo uma emulsão simples a dispersão de um líquido em outro imiscível, as
características de cada uma demandarão uma técnica que melhor se adapte. Analogamente, a
produção de partículas sólidas tais como as de alginato, a partir da utilização de uma emulsão do
tipo água em óleo (w/o), também demanda uma estratégia diferente para a sua produção com
baixo grau de dispersão de tamanhos, formação de partículas individualizadas além do controle
do tamanho das partículas produzidas [1]. A indústria alimentícia tem grande interesse neste tipo
de sistema para encapsular diferentes componentes tais como vitaminas, realizando assim
constantes estudos nesta área [2]. Percebendo-se a contribuição que a microfluídica pode trazer a
esta área, neste estudo se deseja desenvolver uma metodologia capaz de produzir partículas de
alginato com baixa dispersão de tamanhos e também a possibilidade de encapsular diferentes
componentes através da produção de emulsão dupla constituindo microesferas de alginato
englobando gotas de outro líquido.
Procedimento experimental
Para a execução deste estudo, foi necessária a construção de dispositivos de microfluídica
que se constituem basicamente de dois tubos capilares de vidro que encaminham as fases contínua
e dispersa de modo a causar um cisalhamento na fase dispersa pela fase contínua formando gotas
da primeira fase constituindo assim uma emulsão simples. A configuração dos capilares pode ser
melhor entendida observando-se a Figura [1] .
Fig [1]: Esquema do sistema de capilares para bombeamento das fases contínua e dispersa.
Fase contínua
Fase dispersa emulsão
59
Como fase contínua utilizou-se de uma solução de óleo de girassol e span 80 (0,5% m/m)
e como fase dispersa uma solução de alginato de sódio e água em diferentes concentrações (0,9 a
2% m/m). Utilizou-se ainda uma fase intermediária que consistia de uma emulsão de CaCl2.2H2O
em água a 4M em óleo de girassol na proporção de 30µl por mililitro de óleo.
Resultados e discussão
Utilizando os dispositivos construídos foi possível produzir emulsão de alginato de sódio
em óleo de girassol, gelificando as gotas de alginato de modo a produzir partículas de alginato.
Obteve-se ainda um controle do tamanho das mesmas. A foto apresentada na Figura [2] mostra a
qualidade das partículas produzidas.
Fig [2]: Partículas de alginato produzidas a partir da emulsão de alginato em óleo.
Nota-se que as partículas têm uma boa esfericidade bem como baixo grau de dispersão de
tamanho.
Conclusões
A metodologia utilizada neste trabalho mostrou ser uma estratégia simples e eficiente para
a produção de partículas de alginato. Permite controle de tamanho das partículas além de baixo
grau de dispersão de tamanhos. Depois de gelificadas, as partículas mantiveram um formato bem
esférico.
Referências
[1] P. B. Umbanhowar, V. Parasad, and D. A. Weitz, Langmuir 16, 347-351 (2000).
[2] J.P. Paques, E.v.der Linden, C. JM. Van Rijn, L.M.C. Sagis, Food Hydrocolloids 31, 428-434 (2013)
Agradecimentos
Agradeço a CAPES e a FAPEMIG pelo apoio financeiro.
Contatos
Alvaro Vianna Novaes de Carvalho Teixeira – [email protected]
Danilo Machado Fulgêncio – [email protected]
Samuel Arruda Arcanjo - [email protected]
60
Síntese de microestruturas de polipirrol para aplicação
em bio-mems Stéfano R. Marquetto, Jacqueline Arguello, Clarisse M. S. Piatnicki
Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
Resumo
Polímeros condutores como o polipirrol possuem potencial para diversas aplicações
devido às propriedades ópticas, mecânicas e elétricas dos mesmos. Eles oferecem vantagens como
a facilidade em preparação, baixo custo e biocompatibilidade, tornando-os bons candidatos para
a fabricação de microdispositivos, reatores, atuadores e sensores. Neste trabalho, pirrol foi
eletropolimerizado com o intuito de obter estruturas na forma de garrafas e vasilhas, capazes de
servir como reservatórios para fármacos ou outras substâncias. Pirrol foi eletropolimerizado sobre
um substrato de aço inoxidável na presença de ácido βnaftalenosulfônico e gelatina, através de
voltametria cíclica.
Palavras-Chave: Polipirrol, eletropolimerização, microestruturas
Introdução
A descoberta de novas drogas e tratamentos na área medica tem estimulado a pesquisa para
o desenvolvimento de formas de administração mais eficientes e com maior controle na dosagem.
Nas últimas décadas foram desenvolvidos vários métodos capazes de liberar as drogas de uma
forma constante e prolongada, sendo que na maioria deles a liberação procede a partir da hidrólise
ou da biodegradação de uma cápsula polimérica. Os polímeros condutores também têm sido
explorados na construção de dispositivos para liberação controlada por impulsos elétricos [1].
Eles sofrem alterações na condutividade, cor e volume em resposta a oxidação e redução
eletroquímica [2]. A alteração no estado de oxidação vai acompanhada por uma variação na carga
iônica o que demanda entrada e saída de contra-íons (eletrólito) provocando expansão e contração,
respectivamente. Basicamente eles são capazes de abrir e fechar, e procuramos explorar esta
propriedade para absorver e liberar fármacos. A escolha de do pirrol foi devido à sua facilidade
de polimerização, requerimento de baixas voltagens [3], obtenção de vários tipos de estruturas
dependentes das variáveis experimentais [4], e pela sua biocompatibilidade. O pirrol pode ser
eletroquimicamente polimerizado na superfície de diferentes substratos condutores, e nosso
objetivo é sintetizar PPy em estruturas adequadas para servir de reservatório de fármacos para
libera-los através de impulsos elétricos.
Parte Experimental
O pirrol foi eletropolimerizado sobre placas de aço em diferentes meios e condições
seguindo alguns procedimentos descritos na literatura. Os experimentos foram levados a cabo
utilizando um potenciostato da marca Autolab e celas com três eletrodos (Ag/AgCl (KCl, 3 mol/L)
como referencia e platina como contra-eletrodo. Resultados mais promissores ocorreram em
solução contendo KClO4 0,1 mol/L, e concentrações iguais de pirrol e 2-NSA (0,25 mol/L), e
também em solução 0,02% de gelatina, 0,15 mol/L de pirrol e 0,009 mol/L de morfina.
Resultados e discussão
Em solução contendo 2-NSA, bolhas formadas pela reação secundária no contraeletrodo
servem de molde para que o pirrol se polimerize sobre elas, conforme descrito na literatura [5],
formando estruturas abertas. Segundo esses autores, o hidrogênio gerado fica recoberto pela
substância tensoativa, que tem carga negativa. Dependendo da distância entre o eletrodo de
61
trabalho e o contraeletrodo eles acabam sendo atraídos para o ânodo, que tem carga positiva, de
forma que aderem ao eletrodo e o pirrol se polimeriza sobre elas.
Foram realizados três ciclos de 0 a 1,4V e, de fato, foram formadas pequenas esferas com
uma abertura. Algumas delas muito grandes, mas também foram encontradas estruturas em forma
de vaso cuja abertura possuía apenas 10 micrômetros de diâmetro. Estruturas mais arredondadas,
semelhantes ao fruto do coqueiro, foram obtidas ao utilizar a cronoamperometria em vez da
voltametria cíclica. Essas estruturas eram frágeis, podendo ser destruídas ao contato. Com o
intuito de melhorar a resistência mecânica, gelatina foi adicionada ao meio da reação. Estruturas
semelhantes foram obtidas embora muito menores com maior potencial para o nosso objetivo de
utiliza-las como atuadores na liberação controlada de fármacos.
Foram realizados estudos de estabilidade dos polímeros formados através de ciclos
consecutivos de voltametria cíclica. PPy formado na presença de KClO4 e gelatina demonstraram
ser mais estáveis. As primeiras tentativas de liberação da morfina foram realizadas e
acompanhadas por espectrofotometria UV. Mas infelizmente o volume de solução eletrolítica
utilizada foi grande e acabou tornando difícil a quantificação da morfina liberada. Foi constatado
também que em ausência dos estímulos elétricos não se observa esse sinal, indicando que o
processo de redução e oxidação do polímero é capaz de liberar a morfina. Contudo, técnicas mais
adequadas para este estudo deverão ser empregadas.
Conclusões
Existem inúmeras formas diferentes para polimerizar o pirrol, mas neste trabalho
concluímos numa primeira etapa que é possível realizar a polimerização de uma forma simples e
que resulte em um polímero estável. O fato de termos formado as estruturas em vaso de variados
tamanhos e utilizando tanto a gelatina quanto o 2-NSA mostra que o método em que bolhas de
hidrogênio servem de molde pode ser realizado sob diferentes condições, o que abre caminho para
novas possibilidades. Referente aos testes de liberação, precisamos realizar mais testes para
termos a confirmação, utilizando técnicas que possibilitem o acompanhamento in situ da
liberação.
Agradecimentos
Os autores agradecem pela Bolsa IC e o apoio emergencial a pesquisa a Propesq-UFRGS, ao
CNPQ (Processo: 550441/2012-3) e ao INCTBio.
Referências
[1] M. R. Abidian, D. H. Kim, D. C. Martin, Adv Mater. 18(4) 405 (2006)
[2] L. Mira, S. C. Torresi, Sensors and Actuators B 130, 638 (2008)
[3] R. Pytel, E. Thimas, Y. Chen, I. Hunter, Polymer 49, 1338 (2008)
[4] M. Omastová, M. Trchová, J. Kovárová, J. Stejskal, Synthetic Metals 138 447 (2003)
[5] L. Qu, G. Shi, J. Yuan, G. Huan, F. Chen, Journal of Electroanalytical Chemistry 561, 149
(2004)
62
Um sistema microfluídico à base de uretana-acrilato
com célula integrada para a detecção por
quimiluminescência: Avaliação na determinação de íons
hipoclorito (OCl-) Thiago Rosa Sampaio1 (PG) e Alexandre Fonseca1 (PQ)
1Instituto de Química da Universidade de Brasília-Brasília/DF
Resumo
Este trabalho descreve a construção e avaliação de um microssistema fluídico com célula integrada para
a detecção por quimiluminescência. A fotolitografia profunda na região do ultravioleta foi utilizada para
fabricar o dispositivo em resiste de uretana-acrilato (UA), possibilitando a gravação dos canais com perfis
semicirculares com cerca de 300 µm de largura e 350 µm profundidade. As estruturas para a introdução
das soluções, bobina de reação e célula de detecção com formato de serpentina foram dispostas em um
monólito com 7,0 cm x 3,5 cm x 0,4 mm, permitindo a avaliação do dispositivo para determinação
quimiluminométrica de íons hipoclorito em soluções de limpeza. Estratégias de detecção empregando um
par de fotodiodos ou uma mini-fotomultiplicadora acoplados à superfície do dispositivo foram avaliadas e
proporcionaram um desempenho analítico plenamente satisfatório para a aplicação, demonstrando a
aplicabilidade do microssistema proposto para este tipo de determinação. Palavras-chave: microssistemas de análise, quimiluminescência, fotolitografia profunda, uretana-
acrilato.
Introdução
A miniaturização de sistemas de análise química tem sido amplamente investigada como
estratégia para a redução no consumo de reagentes e amostras e também para a diminuição dos
resíduos gerados em procedimentos de rotina que atendam aos quesitos da chamada química verde
[1]. No desenvolvimento de microssistemas de análise por injeção em fluxo (µFIA), um dos
grandes desafios é a integração de sistemas ópticos de detecção que permitam medir a radiação
emitida ou absorvida pelas espécies químicas de interesse em volumes muito reduzidos de fluídos.
Neste sentido, medidas de quimiluminescência surgem com uma alternativa de alta sensibilidade
para as determinações analíticas, uma vez que a instrumentação requerida para a sua
implementação é bastante simples e pode ser aplicada com sucesso em sistemas microfluídicos
fabricados em materiais transparentes à radiação visível. No presente trabalho, foi demonstrado
que um procedimento simples e de baixo custo pode ser utilizado para a fabricação de um µFIA
com célula integrada para medidas de quimiluminescência aplicadas à determinação de
hipoclorito em soluções de limpeza comerciais.
Procedimento experimental
A fotolitografia profunda no ultravioleta [2] foi utilizada para a fabricação das estruturas
fluídicas em resiste de uretana-acrilato. Canais no formato de uma serpentina (Figura 1) foram
dispostos em uma área circular com 1,0 cm de diâmetro e utilizados como célula integrada para
a detecção por quimiluminescência (CQ). A intensidade da radiação emitida como produto da
reação quimiluminescente entre os íons hipoclorito e luminol foi medida empregando-se dois
fotodiodos [3] (OSD-50E) fixados externamente ao microssistema. Alternativamente, a janela de
uma mini fotomultiplicadora (Hamamatsu-H7468-03) foi alinhada com a célula de detecção para
a realização de medidas comparativas. O diagrama de fluxo apresentado na Figura 1 foi utilizado
para os procedimentos, no qual uma bomba peristáltica e válvulas solenóides foram utilizadas
para o bombeamento e direcionamento dos fluidos, respectivamente. Cerca de 5,0 µL das soluções
63
das amostras ou dos padrões foram injetados hidrodinamicamente em fluxo de solução H2SO4
0,05 mol L-1/ H2O2 0,5 mol L-1 e confluídos com uma solução de luminol 0,01 mol L-1 em meio
básico, imediatamente antes da célula de detecção.
Figura 1: Diagrama de Fluxo empregado para a realização das medidas (A) e detalhe da célula
quimiluminométrica. Bomba Peristáltica (BP), Válvulas Solenóides (V1-V5), Descarte (D),
Célula Quimiluminométrica(CQ).
Resultados e Discussão
Curvas analíticas com elevadas correlações lineares (R2> 0,999) foram obtidas com os dois
modos de detecção. Entretanto, uma sensibilidade maior foi verificada para as medidas com a
fotomultiplicadora (faixa de concentração de 10 a 100 µg OCl- L-) em relação às medidas com os
fotodiodos (2 a 20 mg OCl- L-1). Embora menos sensível, a detecção com fotodiodos foi
empregada para a determinação de OCl- em amostras de água sanitária (Tabela 1), não sendo
observadas diferenças significativas (95 % de confiança) ao se comparar os resultados do µFIA
com aqueles obtidos por um método de referência (volumetria). Comparados à sistemas de análise
em fluxo convencionais, reduções da ordem de 90 % foram observadas para a geração de resíduos
e para o consumo de reagentes.
Conclusão
A detecção quimiluminométrica foi realizada de forma simples e eficiente com o µFIA
proposto a partir de uma fotomultiplicadora (mais sensível e mais cara) ou de dois fotodiodos
(menos sensíveis e de menor custo) como detectores. Embora a aplicação para hipoclorito seja
bastante simples, outros analitos poderão ser determinados no futuro empregando-se diferentes
reações quimiluminescentes.
Referências
[1]. W. R. Melchert, Anal. Chim. Acta 714, 8 (2012).
[2]. A. Fonseca, Anal. Chim. Acta 603, 159 (2007).
[3]. E. P. Borges, Quim. Nova 25, 1191 (2002).
Agradecimentos
DPP-UnB, CAPES e INCTAA
64
Uso de sistema de microfluídica para experimentos em
astrobiologia Silva, E. P.; Araujo, G.G.; Gallo, T.; Rodrigues, F., Galante D.
Resumo
Testar a resposta de material biológico a condições simuladas ou análogas a ambientes espaciais
é de grande interesse a astrobiologia. Propõe-se o desenvolvimento de um sistema microfluídico para
experimentos em alta atmosfera ou na baixa órbita terrestre. Sua principal função é permitir o cultivo de
células e a mensuração de seu crescimento em um dispositivo portátil. As células seriam dispostas em
poços, com meio de cultura passando através de canais. A sua multiplicação poderá ser observada por um
leitor de absorbância acoplado aos poços. Os parâmetros que poderiam afetar o fator analisado (a taxa
de crescimento do microrganismo) seriam microgravidade, exposição a raios cósmicos e radiação
ultravioleta. O Laboratório de Astrobiologia (IAG/USP) pode ser de especial importância no
desenvolvimento do aparelho, podendo testá-lo em uma câmara de simulação de ambientes espaciais.
Palavras chave: Astrobiologia, Microfluídica, Satélite, Deinococcus
Introdução
Astrobiologia é um campo de pesquisa dedicado a entender origem, evolução, distribuição
e futuro da vida na Terra ou, eventualmente, fora dela. Sua origem é na exobiologia, programa de
pesquisa de busca de vida fora da Terra surgida no contexto da corrida espacial, inicialmente para
proteger o planeta de uma eventual contaminação.
Essa área se desenvolveu e suas prioridades se expandiram, mas pesquisas sobre a
sobrevivência de organismos vivos ao ambiente espacial continua sendo de grande interesse.
Neste contexto, há mais de uma década vêm se desenvolvendo estudos em microescala de células
em grandes altitudes e na órbita terrestre. Em alguns destes estudos há a manutenção de
microrganismos ativos nestes ambientes por microfluídica, em missões curtas e relativamente
baratas. Estes estudos já foram conduzidos em balões a grandes altitudes e satélites, como o
GeneSat-1, PharmaSat e O/OREOS, enviados pela NASA com grande sucesso.
Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um chip de microfluídica para estudo da
resposta biológica de células a diferentes condições ambientais. O sistema deve apresentar uma
série de requerimentos, podendo variar substancialmente com as condições em estudo.
Basicamente, é necessário permitir o metabolismo e a multiplicação das células e medir, de forma
remota, seu crescimento.
O modelo escolhido é a bactéria Deinococcus radiodurans, devido à sua grande capacidade
de resistir a severo estresse oxidativo, como altas doses de radiação ultravioleta e ionizante,
reparando seu material genético com alta eficiência. Em um ambiente espacial, há um fluxo
constante de radiação cósmica, o que representa um desafio para a capacidade da célula manter
sua viabilidade.
Sistema Proposto
Se baseando em designs da NASA, é proposto o cultivo das células em poços cúbicos de
125 µL, havendo a troca de meio por canais de entrada e saída. A troca de meio é necessário para
evitar o esgotamento de nutrientes e impedir o acúmulo de subprodutos do metabolismo celular,
que poderiam afetar o crescimento. As entradas e saídas dos canais são fechadas com filtros que
impedem que as células deixem a cela.
65
A região inferior do cubo deve ser selada com uma membrana permeável a gás, para
permitir a troca de O2 e CO2 com a fase gasosa. Sendo que o reservatório de gás contém um agente
sequestrante de CO2, que evita o seu acúmulo. Todo o conjunto deve estar inserido em um sistema
de controle de temperatura e pressão.
Resolvido o cultivo, deve-se ser capaz de medir o crescimento. Técnicas simples como a
absorbância do meio pode ser utilizada como valor indireto da densidade populacional das células
(densidade óptica). Para este experimento, propõe-se como fonte de luz LEDs RGB, por serem
leves, possuírem baixo gasto energético e maior durabilidade. Na face oposta ao LED, há um
sistema de detecção no espectro visível, responsável por realizar as medidas da densidade óptica.
Pensando em experimentos de irradiação solar, o lado oposto à membrana permeável a gás
deve ser de um material como quartzo, transparente na faixa do UV acima de 200 nm. Esta
radiação é importante tanto em termos de emissão pelo Sol quanto em relação a sua interação com
material biológico. Além disso, é pouco absorvida pelo meio de cultura, diferente do que acontece
abaixo de 200 nm. Assim, seria possível medir a multiplicação celular em ambiente sem gravidade
e exposto a um conjunto de condições espaciais.
Figura 1: Desenho esquemático de dois poços de cultivo. O
canal azul traz meio fresco enquanto o vermelho é o dreno.
Pelas laterais são tomadas as medidas de absorbância e parte
superior é de material transparente ao ultravioleta.
Conclusão
O projeto será inicialmente desenvolvido em laboratório, usando-se lâmpadas adequadas
para simular a radiação e quais as melhores técnicas de detecção, montando-se um sistema
fechado com captação remota de dados. O Laboratório de Astrobiologia (IAG/USP) possui uma
câmara de simulação de ambientes espaciais, permitindo um teste completo de todo o sistema em
condições controladas. Uma vez testado e otimizado o experimento em laboratório, este poderá
ser adaptado para embarcar em balões de grandes altitudes ou satélites.
Referências
[1] C. Kitts et al., 21st Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. (2007)
[2] C. Kitts et al. 23rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. (2009)
[3] W. L. Nicholson et al. Astrobiology 11, 10. (2011)
[4] D. Slade & M. Radman. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 75, 1. (2011)
66
Utilização de circuito elétrico equivalente para analisar
a deposição de filmes ultrafinos em microcanais Resumo
Medidas de espectroscopia de impedância elétrica foram utilizadas para monitorar a deposição de
filmes nanoestruturados no interior de microcanais, amplamente utilizados na fabricação de dispositivos e sensores. Os resultados indicaram alterações nos padrões elétricos observados em função da
nanoestruturação de materiais sobre microeletrodos interdigitados de ouro, posteriormente confirmada através de medidas de espalhamento Raman. As medidas elétricas foram analisadas através de circuitos
elétricos equivalentes, e o desempenho da “língua eletrônica microfluídica” aqui desenvolvida foi
confrontado com os resultados apresentados por uma “língua eletrônica convencional”, na qual os eletrodos interdigitados são imersos em um béquer contendo as amostras líquidas. A Análise de
Componentes Principais dos resultados indicou que o sistema de microcanais possui desempenho
semelhante ao convencional.
Palavras chaves: filmes ultrafinos, polypyrrol, NiTsPc, microcanal e impedância.
Introdução
O presente trabalho está intimamente relacionado à microfluídica, utilizando medidas de
impedância elétrica para avaliar a deposição de filmes ultrafinos nanoestruturados no interior de
microcanais fabricados em uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). O objetivo é utilizar a
microfluídica para agregar valor e reduzir etapas na caracterização necessária para fabricação de
unidades sensoriais formando uma “língua eletrônica”. A deposição de filmes nanoestruturados
foi feita através da técnica de automontagem (LbL, do inglês layer-by-layer) dinâmica [1], pelo
fato de permitir um elevado grau de organização molecular, além de relativa simplicidade [2]. As
medidas in-situ de impedância elétrica foram avaliadas através de um circuito elétrico equivalente
simplificado, e posteriormente analisadas através da Análise de Componentes Principais (PCA,
do inglês Principal Component Analysis).
Procedimento experimental
Filmes ultrafinos automontados foram depositados dentro de um microcanal com o auxílio
de uma bomba de microsseringa (Cole Parmer). Os materiais utilizados foram polipirrol (Ppy),
poli(alilamina hidroclorada) (PAH) e ftalocianina tetrassulfonada de níquel (NiTsPc). O Ppy e
PAH foram adquiridos da Aldrich, enquanto a NiTsPC foi gentilmente fornecida pelo Prof. Dr
Carlos J.L. Constantino (FCT – UNESP). A deposição dos materiais foi realizada através da
injeção da solução de policátion, realização de vácuo para esvaziar o microcanal, lavagem do
microcanal com água ultrapura, vácuo novamente, injeção da solução de poliânion, lavagem com
água ultrapura e vácuo. Lembramos que a nanoestruturação ocorreu no interior do microcanal na
região contendo microeletrodos interdigitados de ouro (IDEs, do inglês interdigitated electrodes).
Os filmes depositados no interior do microcanal foram analisados por espectroscopia de
impedância elétrica (Solartron 1260A) e medidas Raman (RENISHAW/ in-Via) utilizando um
laser de 633 nm.
Resultados e discussão
A análise dos resultados de impedância levou à utilização de um elemento de fase
constante (CPE, do inglês Constant Phase Element) e um resistor (R) associados em série, devido
à natureza condutora dos poliânions utilizados. A Figura 1 ilustra medidas elétricas realizadas
durante o intervalo de tempo em que as soluções estavam estáticas no interior do microcanal.
67
Figura 1 – Respostas elétricas obtidas com microcanais completamente preenchidos com poliânions
utilizados na deposição dos filmes LbL e circuito elétrico equivalente simplificado.
Através dos ajustes feitos com o circuito elétrico equivalente (Figura 1) notamos que R se manteve
constante durante todo o processo de deposição de cada um dos filmes LbL, 0,5 k para o
polipirrol e 4,2 k para a ftalocianina. Por outro lado, o CPE utilizado nos ajustes expressa um
comportamento capacitivo do sistema eletrodo/solução, certamente associado a processos
interfaciais, que são alterados em função da deposição do filme. Foi possível confirmar a
presença, distribuição e homogeneidade dos materiais depositados no interior do microcanal
através de mapeamentos Raman em regiões distintas dos chips. Adicionalmente, os resultados
obtidos por essa “língua eletrônica microfluídica” foram comparados aos apresentados por uma
“língua eletrônica convencional”, sem qualquer indício de perda de sensibilidade em função da
miniaturização do sistema.
Conclusão
Filmes de materiais orgânicos (PAH/PPy e PAH/NiTsPc) foram depositados no interior de
microcanais selados sobre IDEs, o que permitiu o desenvolvimento da “língua eletrônica
microfluídica”. Medidas de impedância elétrica foram realizadas durante o processo de deposição
dos filmes orgânicos, sendo analisadas em termos de um circuito elétrico equivalente
simplificado. Complementarmente, medidas de espalhamento Raman comprovaram a presença e
uniformidade dos filmes recém-depositados no interior dos microcanais. Ressaltamos as
vantagens de trabalharmos com microlitros de análises e descartes, além das possibilidades de
integração dos dispositivos microfluídicos, em comparação ao sistema convencional.
Referências bibliográficas
[1] P. Lavalle, J. C. Voegel, D. Vautier, B. Senger, P. Schaaf, e V. Ball, “Dynamic aspects of films
prepared by a sequential deposition of species: perspectives for smart and responsive materials”,
Advanced Materials, vol. 23, no 10, p. 1191–1221, 2011. [2] G. Decher, “Fuzzy Nanoassemblies: Toward Layered Polymeric Multicomposites”, Science, vol. 277,
no 5330, p. 1232–1237, ago. 1997.
C.A.R. DANTAS, D. VOLPATI; M.H.O. PIAZZETTA; A.L. GOBBI; C.J.L.
CONSTANTINO; A. RIUL Jr.
E-mail: [email protected]
Agradecimentos FAPESP; CAPES; LNNano; CNPEM; INEO e nBioNet.
