ساخت دستگاه میکروفلویدیک جهت تولید نانو ذرات
فهرست مطالب
میکروفلوئیدیک
نانوذرات
نانوذرات چگونه ساخته می شوند؟
ساخت سیستم میکروفلوئیدیک
هزینه ساخت دستگاه میکروفلویدیک
نحوه عملکرد میکروفلوئیدیک
دستگاه میکروفلوئیدیک چگونه کار میکند؟
کاربردهای میکروفلوئیدیک
کاربردهای میکروفلوئیدیک
تاثیر ساخت دستگاه میکروفلوئیدیک در جهت تولید نانو ذرات
میکروفلوئیدیک
ریزسیال شناسی یا میکروفلوئیدیکز
با رفتار، کنترل دقیق و نگهداری سیالاتی سرو کار دارد که به لحاظ هندسی به مقیاس کوچکی، معمولاً زیر میلیمتر، محدود شده اند. رفتار سیالات در مقیاس میکروسکوپی قابل بحث است. این علم یک موضوع چند رشته ای است. رشته هایی مانند مهندسی، فیزیک، شیمی، بیوشیمی، فناوری نانو، و بیوتکنولوژی که با هدف طراحی سیستم های گوناگون با یکدیگر همکاری دارند.
میکروفلوئیدیک تکنیک بسیار جالبی برای محققان آکادمیک و گروه های صنعتی می باشد. امروزه بیشتر کشورها، در حال توسعه تکنولوژی میکروفلوئیدیک هستند. در واقع میکروفلوئیدیک یا ریزسیال شناسی یک علم در بررسی رفتار سیال (سیالات) در مقیاس میکرومتر است. این عمل حوزه های مختلفی دارد. از آن جمله می توان به تولید نانو ذرات اشاره کرد.
نانوذرات
نانوذره، ذره کوچکی است که اندازه و امتداد آن می تواند در هر 3 بعد بین 1 تا 100 نانومتر باشد. این ذره توسط چشم انسان قابل شناسایی نیست و می تواند خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به ذرات بزرگ تر، از خود نشان دهد. این کلمه از دو واژه یونانی و لاتین که به معنای کوتوله و ذره تشکیل شده است.
از طرفی دیگر، نانوذرات می توانند از ده ها یا صدها اتم یا مولکول با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف (آمورف، کریستالی، کروی شکل، سوزنی شکل و…) ساخته شده باشند. اغلب نانوذرات که به طور تجاری مورداستفاده قرار می گیرند، به شکل پودر خشک، مایع و یا به صورت ترکیب شده در یک محلول آلی یا آبی به شکل سوسپانسیون یا خمیری می باشند.
نانوذرات چگونه ساخته می شوند؟
این ذرات را می توان از هر ماده جامد یا مایع از جمله فلزات، دی الکتریک ها و نیمه هادی ها ساخت و همچنین ممکن است از نظر داخلی همگن یا ناهمگن باشند.
از نظر روش ساخت به دودسته طبیعی و مصنوعی تقسیم بندی می شوند:
نانوذرات آزاد (طبیعی)
نانوذرات مصنوعی
از طریق شکستن ذرات بزرگ تر یا با فرایندهای مونتاژ کنترل شده تشکیل می شوند. پدیده های طبیعی (فوران آتشفشان یا آتش سوزی جنگل ها) و بسیاری از فعالیت های صنعتی و خانگی انسان مانند پخت وپز، تولید یا حمل ونقل جاده ای و هوایی، نانوذرات را ایجاد و وارد جو می کنند. نانوذرات طبیعی همچنین شامل دانه های ماسه بسیار ریز با منشا معدنی (مانند اکسیدها، کربنات ها) نیز هستند. اما لازم به ذکر است که منشا نانوذرات صرفاً زمینی نمی باشد و توسط بسیاری از فرایندهای کیهانی بر روی اتمسفر زمین ریخته می شوند.
امروزه با گسترش فناوری نانو در سطوح مختلف صنعتی و اثرگذاری این فناوری برخواص محصولات تولیدی، نیاز به ابداع و اصالح روشهای مختلف جهت تولید نانو ذرات روزبهروز افزایش مییابد. در بسیاری از صنایع نظیر صنعت غذا و دارو، صنعت محصوالت شیمیایی، و صنایع کاربردی دیگر لزوم استفاده از نانو ذرات با حداقل ناخالصی، توزیع اندازه یکنواخت، و هزینه تمامشده کاهشیافته منجربه ایجاد رقابتیجهانی در تولید مواد اولیه نانو ابعاد شده است. در این میان دستگاههای میکروفلویدیک به دلیل مزایایی چون کاهش مصرف مواد اولیه جهت تولید نانو ذرات، اختالط موثر و سریع مواد اولیه در ابعاد نانو متری، و کنترل قابلقبول روی متغیرهای سنتز و درنتیجه مشخصات نانو ذرات تولیدی، مورد توجه قرار گرفته است. تولید دستگاههای میکروفلویدیک هنوز در دست ارتقا قرار داشته و صرفاً توسط تعداد انگشتشماری از شرکتها در حال تولید (عموماً بهصورت سفارشی)
میباشد. با توجه به این موارد در این پیشنهاده طراحی و ساخت دستگاه میکروفلویدیک با هدف سنتز نانو ذرات با ساختار ساده و هسته-پوسته، قابل استفاده در صنایع غذا و دارو مورد نظر قرار گرفته است.
ساخت سیستم میکروفلوئیدیک
این سیستم میکروفلوئیدیک شامل دو مسیر اصلی با قطر 100 میکرومتری و ارتفاع 30 میکرومتری در سمت راست وچپ ساختار است. در قسمت بینابینی این دو مسیر اصلی یکسری کانالهای با قطر 10 میکرومتری و ارتفاع 10 میکرومتری تعبیه شد. طول این ساختار ها 10 میکرومتری2000 میکرومتر است. این قسمت نقش اصلی را در این طراحی برعهده داشته و در واقع شبیه ساز ساختار های مویرگی و رگهای لنفی را در سیستم برعهده دارند. این ساختار شکل گرفته بر روی پلیمر پلی دی متیل سولفان را با استفاده از پلاسما کلینر به صورت کوالان بر روی لامل سایز بزرگ قرار داده شده است .
هزینه ساخت دستگاه میکروفلویدیک
نحوه عملکرد میکروفلوئیدیک
سیستمهای میکروفلوئیدیک با استفاده از یک پمپ و یک چیپ یا تراشه کار میکنند. انواع متفاوتی از پمپ ها به دقت مایعات را درون چیپ با سرعت ۱ میکرولیتر در دقیقه تا ۱۰۰۰۰ میکرولیتر در دقیقه حرکت می دهند. درون چیپ میکروکانال هایی وجود دارد که امکان انجام فرایندهایی چون مخلوط شدن، واکنش های شیمیایی و فیزیکی را برای مایعات، فراهم می کنند.
مایع ممکن است ذرات کوچکی را حمل کند از جمله سلول ها یا ذرات نانو. رفتار سیال در میکروکانال ها متفاوت از رفتار معمولی است که روزانه مشاهده می شود. سخت افزارهای میکروسیالاتی در طراحی وساخت با سخت افزارهای ابعاد ماکرو متفاوت هستند.
عموماً نمی توان تنها مقیاس دستگاه های رایج را کوچک کرد و انتظار همان کاربری را در ابعاد میکرو داشت. طی کاهش ابعاد زمانی که اندازه دستگاه به مقدار مشخصی می رسد، ذرات سیال یا ذرات معلق در سیال قابل قیاس با ابعاد دستگاه می شوند. این پدیده رفتار دستگاه را دگرگون می کند. برخلاف کانال های ماکرو، مویینگی حرکت سیال در میکرولوله را تحت تاثیر قرار می دهد. علاوه بر این عوامل ناشناخته دیگر؛ ازجمله انتقال گرما و جرم در ابعاد میکرو وجود دارند که نیازمند تحقیقات بیشتر هستند.
دستگاه میکروفلوئیدیک چگونه کار میکند؟
توزیع جریان داخل تجهیزات از مواردی است که قبل از ساخت، در مرحله طراحی مورد بررسی قرار می گیرد. ساخت تجهیزات میکروفلوئیدیک نیز از این قائده مستثنی نبوده و قبل از ساخت لازم است نحوه ی توزیع جریان داخل تجهیز مورد بررسی قرار گیرد. شبیه سازی به کمک دینامیک سیالات محاسبات ابزاری است که اغلب در این زمینه به کار گرفته می شود. از مهم ترین مواردی که در شبیه سازی جریان به کمک دینامیک سیالات محاسباتی باید بررسی شود نحوه ی ورود و خروجی سیال، توزیع جریان بین کانال ها، افت فشار کانال و الگوی جریان داخل کانال می باشد.
اگر سرعت در مقطع ورودی به کانال ها (خط قرمز نشان داده شده بر روی شکل ۲) را رسم کنیم به نمودار (الف) و (ب) خواهیم رسید. همان طور که در نمودار (الف) دیده می شود سرعت جریان در کانال های کناری کمتر از کانال های مرکزی است. در نتیجه می توان گفت استفاده از چنین طرحی باعث ایجاد خطای شدید در نتایج به دست آمده خواهد شد، زیرا زمان اقامت در کانال های مختلف یکسان نمی باشد. با حذف کانال های کناری و بررسی دوباره جریان در مقطع ورودی به کانال ها می بینم توزیع سرعت به صورت قابل ملاحظه ای بهبود یافته است. بنابراین لازم است پیش از ساخت توزیع جریان در داخل کانال ها مورد بررسی قرار گیرد. از سوی دیگر علاوه بر توزیع جریان، توزیع دما نیز باید برای واکنش های به شدت گرمازا و به شدت گرماگیر (به خصوص واکنش های کاتالیستی) بررسی شود. لازم به ذکر است که با توجه به انتقال حرارت بالا، بررسی توزیع دما در واکنش هایی با تولید(مصرف) حرارت پایین لزومی ندارد. برای بررسی توزیع دما در میکروفلوئیدیک ها ، باید معادله توزیع دما با استفاده از روش ها عددی حل شود.
بررسی توزیع سرعت در یک میکروفلوئیدیک
کاربردهای میکروفلوئیدیک
مزیت کار با این دستگاه ها در این است که نیاز به حجم نمونه، واکنش دهنده یا کاتالیزگر بالا نداریم و همین کاهش چشمگیر مقادیر، موجب کاهش ابعادی دستگاه، هزینه ها و زمان انجام واکنش می شود. در حالی که دقت تشخیصی آن افزایش یافته و کنترل شرایط موثر در واکنش نیز راحت تر شده است.
در حوزه ی زیست شناسی و پزشکی آزمایش های تحقیقاتی و تشخیصی فراوانی وجود دارد که در آنها نمونه ها و مواد محلول مورد آزمایش هستند؛ بخش گسترده ای از کاربردهای این سیستم، در این حوزه ها است.
به طور کلی تعامل با سیالات در ابعاد میکرو در حوزه ی تخصصی میکروفلوئیدیک است. میکروفلوئیدیک هم به عنوان علم در شناخت و بررسی رفتار های سیالات و هم به عنوان فناوری، در ساخت و استفاده از ویژگی های خاص سیالات در این ابعاد در حال پیشرفت و ورود به حوزه های مختلف از سنتزهای شیمی و آنالیزهای زیستی گرفته تا اپتیک و حتی فناوری اطلاعات است.
کاربردهای میکروفلوئیدیک
درمان موثر بیماران سرطانی تا حد امکان بدون درد و غیرتهاجمی برای ریشه کن کردن بیماری یکی از کاربردها در حوزه زیستی است. کاربرد های تشخیصی میکروفلوئیدیک در تشخیص سرطان و عوامل بیماری زا می باشد. ابزار میکروفلوئیدیک برای اندازهگیری ضریب انتشار مولکولی، ویسکوزیته مایع، PH و ضریب اتصال شیمیایی بکار می روند.
تلاش های قابل توجهی در جهت ایجاد روشهای موثر تحویل دارو انجام شده است. سیستم های میکروفلوئیدیک، به واسطه ی قابلیت خودشان برای مدیریت و انتقال دقیق مقادیر کوچک مایعات، به عنوان یک پلتفرم نوید بخش برای طراحی سیستم های تحویل داروی پیشرفته پدیدار شدهاند. بنابراین، به مقدار زیادی برای ساخت حامل های دارویی یا انتقال مستقیم دارو به یک بافت هدفمند مورد استفاده قرار می گیرند.
امروز موفقترین کاربردهای تجاری از میکروفلوئیدیک چاپگر جوهر افشیان میباشد.
تحقیقات گسترده ای در حوزه ی کاربردهای میکروفلوئیدیک انجام شده است. کاربرد در جداسازی ذرات زیستی از جمله سلول های سرطانی و گلبول های خونی از جمله کاربردهای زیستی این فناوری است. از دیگر کاربردهای آن می توان به تولید داروها، ساخت چیپ های تشخیصی و ایجاد چیپ های تولید گرادیان غلظت می توان اشاره کرد.
تاثیر ساخت دستگاه میکروفلوئیدیک در جهت تولید نانو ذرات
کاهش هزینه های خرید تجهیزات صنایع نفتی و داروسازی
بهینه سازی قطعات صنعتی با فناوری ضدسایش و خوردگی
افزایش کارایی دستگاه های تجاری با کاهش زمان فرآیند
توان عملیاتی بالا، سنجشهای مرکب و دقیق همپایه؛
تحلیلهای سریعتر به علت زمان واکنش یا جدایش کوتاهتر
دستگاههای قابلحمل برای کاربردهای تشخیو آنی
مصرف مواد کمتر
هزینه تمامشده کمتر به ازای هر آزمایش