i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 16 — #1 i i i i i i MIKROFLUIDI ˇ CNOVEZJEZMIKRO ˇ CRPALKO BLA ˇ Z KAV ˇ CI ˇ C, DU ˇ SAN BABI ˇ C IN IGOR POBERAJ Fakulteta za matematiko in fiziko Univerza v Ljubljani PACS: 47.85.Np, 47.85.L-, 87.85.Uv Mikrofluidika je interdisciplinarno podroˇ cje, ki obravnava manipulacijo tekoˇ cin v zelo majhnih koliˇ cinah (nl do al) in obeta miniaturizacijo kemijskih in bioloˇ skih procesov ter njihovo integracijo v t. i. laboratorije na ˇ cipu. Trend je podoben kot v zaˇ cetku razvoja mikroelektronike, le daje mikrofluidiˇ cno vezje sestavljenoizrazliˇ cnihminiaturnihmehan- skih elementov. Med pomembnejˇ se spadajo mikroˇ crpalke zaˇ crpanje tekoˇ cinskih tokov po kanalih v vezju. V ˇ clanku je predstavljena izdelava mikroˇ crpalke iz superparamagnetnih koloidnih kroglic, ki ima moˇ znost individualnega nadzora hitrosti in smeri ˇ crpanja. MICROFLUIDIC CIRCUIT WITH A MICROPUMP Microfluidics is an interdisciplinary field dealing with manipulation of small volumes of liquids (nl to al) and promising miniaturization of chemical and biological processes and their integration into laboratories-on-chips. The trend is similar to the early stage of development of microelectronics, only that the circuits are assembled from miniature mechanical elements. Among the more important components in the circuits are micro- pumps usedtopumpliquidcurrentsthroughthecircuitchannels. Thisarticlepresentsan experimental implementation of a micropump assembled from superparamagnetic colloi- dalspheres, withthepossibilitytocontrolpumpingspeedanddirectionofeachindividual pump. 1. Uvod Mikrofluidika je interdisciplinarno podroˇ cje, ki se ukvarja z izdelavo miniaturnih vezij za manipulacijo majhnih volumnov tekoˇ cin, ki so tipiˇ cno reda nanolitrov do atolitrov (10 −9 do 10 −18 litra) [1]. Podroˇ cje obeta mi- niaturizacijo in s tem povezan napredek priˇ stevilnih kemijskih in bioloˇ skih procesih na podoben naˇ cin, kot je hiter razvoj na podroˇ cju elektronike pri- nesla mikroelektronika. Razvoj gre v smeri t. i. laboratorija na ˇ cipu (ang. lab-on-a-chip), torej miniaturizacije razliˇ cnih procesov, ki se v laboratorijih danes izvajajo na makroskopskih skalah [2]. Moˇ zni primeri uporabe mikro- fluidike so v kemiji, fiziki, biologiji in medicini, na primer v analizi DNK in celiˇ cni analizi, biosenzorjih in senzorjih kemikalij, sintezi ˇ cistih snovi, filtri- ranju, separaciji ter pri diagnostiˇ cnih in presejalnih testih. Miniaturizacija prinaˇ sa ˇ stevilne prednosti. Na majhnih velikostnih ska- lah so reakcije veliko hitrejˇ se, zato se trajanje meritev skrajˇ sa, nadzor reak- cij pa je laˇ zji in natanˇ cnejˇ si, saj se sistem hitreje odzove na spremembe, na 16 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 1 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 17 — #2 i i i i i i Mikrofluidiˇ cno vezje z mikroˇ crpalko primer na dodajanje reagenta. Obˇ cutljivost in loˇ cljivost mikroanalitiˇ cnih metod sta zato boljˇ si, kar so med prvimi izkoristili pri visokotlaˇ cni kroma- tografiji tekoˇ cin in kapilarni elektroforezi [1]. Prav tako je pomembno, da lahko za reakcije uporabimo zelo majhne koliˇ cine reagentov, saj to omogoˇ ca izvajanje analiz tudi na vzorcih v zelo majhnih koliˇ cinah. Pri ravnanju z nevarnimi snovmi se zmanjˇ sa tveganje in obseg potencialnih nesreˇ c, koliˇ cine nastalih odpadnih produktov pri reakcijah pa so veliko manjˇ se, kar zniˇ za stroˇ ske in obremenitve okolja. Majhnost mikrofluidiˇ cnih vezij se izraˇ za v prenosljivosti in niˇ zji ceni, zaradi ˇ cesar je mogoˇ ce moˇ cno poceniti, poe- nostaviti in miniaturizirati doloˇ cene diagnostiˇ cne metode, kjer je potrebna obdelavavelikihkoliˇ cinvzorcev,kardanesopravljajovelikiindragirobotski sistemi [3]. Mikrofluidiˇ cno vezje obiˇ cajno meri do nekaj kvadratnih centimetrov, se- stavlja pa ga topoloˇ ska mikrostruktura iz razliˇ cnih elementov, kot so mini- aturni kanali, komore, ventili, razvejiˇ sˇ ca ipd. Topoloˇ ska struktura je lahko kombinirana ˇ se z drugimi elementi, na primer z elektrodami. Predlagani in v praksi prikazani so bili ˇ ze ˇ stevilni naˇ cini uporabe mikrofluidiˇ cnih ve- zij, kot so filtrirni sistemi, biosenzorji, senzorji kemikalij in koncentracij, genetska analiza, sinteza organskih snovi, separacija, masna spektrometrija in drugi [1, 2]. Doloˇ cena vezja se predvsem v laboratorijih ˇ ze redno upo- rabljajo. Najveˇ cji trˇ zni uspeh je do sedaj uporaba mikrofluidike doˇ zivela v brizgalnih tiskalnikih [1]. ˇ Ceprav raziskave na tem podroˇ cju potekajoˇ ze veˇ c kot 20 let, je uporaba mikrofluidike v laboratorijskih procesih ˇ se vedno v zaˇ cetni fazi. Teˇ zave so tako pri odloˇ citvah, katere ˇ ze obstojeˇ ce procese sploh miniaturizirati, kot pri sami izpeljavi vseh korakov razvoja, od izbire materialov do postopka izdelave in umestitve na trg. Eden od problemov je ˇ crpanje tekoˇ cin po mikrofluidiˇ cnih vezjih, kar se danes veˇ cinoma izvaja z zunanjimi makro- skopskimi ˇ crpalkami, od koder so razliˇ cne vrste tekoˇ cin do vezij speljane po cevkah. Metoda je zaradi velikosti takˇ snih ˇ crpalk v primerjavi z velikostjo vezij nepraktiˇ cna, bolj primerne bi bile miniaturne ˇ crpalke v samih vezjih. Tu se pojavi tako vpraˇ sanje naˇ cina izdelave in sestavljanja zelo majhnihˇ cr- palnih elementov kot tudi prenos energije za pogon ˇ crpalke na tako majhne velikostne skale. Primer mikroˇ crpalke je leta 2006 predstavila skupina Clemensa Bechin- gerjazUniverzevStuttgartu, kjersoiztrehkroglastihsuperparamagnetnih koloidnih delcev v kroˇ zeˇ cem zunanjem magnetnem polju sestavili ˇ crpalni rotor velikosti okoli 10 μm [4]. Kroˇ zeˇ ce magnetno polje med superpara- magnetnimi koloidnimi kroglicami inducira privlaˇ cno interakcijo, zato se te 16–24 17 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 18 — #3 i i i i i i Blaž Kavˇ ciˇ c, Dušan Babiˇ c in Igor Poberaj zberejo v skupek, ki se zaˇ cne vrteti. Ob primerni topoloˇ ski zasnovi kanalov takˇ sen rotor po kanalu poganja tok tekoˇ cine, katerega smer in velikost sta odvisni od smeri in hitrosti vrtenja rotorja oziroma zunanjega magnetnega polja. Majhnost rotorjev teoretiˇ cno omogoˇ ca povrˇ sinsko gostoto veˇ c tisoˇ c ˇ crpalk na kvadratni centimeter mikrofluidiˇ cnega vezja [4]. Pri velikem ˇ stevilu mikroˇ crpalk v enem samem vezju se pojavi potreba po nadzoru posameznih ˇ crpalk. Ker vse mikroˇ crpalke v vezju poganja isto zunanje magnetno polje, lahko poˇ zenemo, upoˇ casnimo ali obrnemo teko- ˇ cinski tok le v vseh hkrati, nadzor posamezne pa ni mogoˇ c. Omenjena demonstracija ˇ crpanja toka v mikrofluidiˇ cnem vezju te teˇ zave ni odpravila, zato smo zgoraj opisano zasnovo ˇ crpalke nadgradili z moˇ znostjo dodatnega nadzora nad posameznim rotorjem. 2. Princip delovanja magnetne mikroˇ crpalke Eden od naˇ cinov izdelave mikroˇ crpalke je uporaba superparamagnetnih koloidnih kroglic in ustreznega zunanjega magnetnega polja, v katerem se kroglice sestavijo v vrteˇ c skupek, ki poganja tekoˇ cinski tok. Superparama- gnetne koloidne kroglice so majhne polimerne kroglice z velikostjo reda 1 μm, v katerih so razprˇ seni superparamagnetni nanodelci, obiˇ cajno γ-Fe 3 O 4 velikosti pribliˇ zno 10 nm. Kadar ni zunanjih magnetnih polj, je takˇ sna kroglica magnetno nevtralna. ˇ Ce vklopimo zunanje polje z gostoto B, pa se dipolni momenti superparamagnetnih nanodelcev v kroglici poravnajo s poljem in s tem v njej inducirajo magnetni dipolni moment m = 4πR 3 χ 3μ 0 B, (1) kjer je R polmer koloidne kroglice, χ njena magnetna susceptibilnost in μ 0 indukcijska konstanta. ˇ Ce takˇ sno kroglico z magnetnim dipolnim momen- tom m 1 obravnavamo kot toˇ ckast dipol, lahko magnetno polje B 1 (r), ki ga ustvarja, zapiˇ semo kot B 1 (r) = μ 0 4π 3r(m 1 ·r)−r 2 m 1 r 5 . (2) ˇ Ce v magnetno polje prve kroglice postavimo drugo z magnetnim dipol- nim momentom m 2 , je interakcijska energija med njima enaka skalarnemu produktu magnetnega momenta druge kroglice z magnetnim poljem prve: E INT =−m 2 ·B 1 = μ 0 4π (m 1 ·m 2 ) r 3 − 3(m 1 ·r)(m 2 ·r) r 5 . (3) 18 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 1 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 19 — #4 i i i i i i Mikrofluidiˇ cno vezje z mikroˇ crpalko ˇ Ce je gibanje kroglic omejeno na ravnino, v kateri kroˇ zi zunanje magne- tno polje, se gornji izraz za interakcijsko energijo poenostavi v hE INT i =− μ 0 8π m 1 m 2 r 3 . (4) Interakcija med kroglicama je izotropna in v povpreˇ cju privlaˇ cna, kar po- meni, da se superparamagnetne koloidne kroglice med seboj privlaˇ cijo in sprimejo v skupke. Orientacija magnetizacije nanodelcev v posamezni kro- glici in s tem smer dipolnega momenta celotne kroglice nekoliko zaostaja za zunanjim poljem, zaradi ˇ cesar nanje deluje magnetni navor M = m×B, ki kroglico zavrti okoli lastne osi. Zaradi tega se superparamagnetna kolo- idna kroglica v kroˇ zeˇ cem zunanjem magnetnem polju vrti okoli iste osi kot zunanje polje, kar je mogoˇ ce opazovati pod mikroskopom. Magnetni navor deluje tudi na skupek veˇ cih kroglic, zato se tak skupek prav tako vrti. Slika 1. (a) Ko v ravnini tanke mikroskopske celice vklopimo kroˇ zeˇ ce zunanje magnetno polje, se zaˇ cnejo posamezne superparamagnetne kroglice vrteti, med njimi pa delujejo privlaˇ cne sile. (b) Ko se sprimejo v skupek, seˇ se vedno vrtijo posamezno in v skupku kot celoti. (c) Primer hitro vrteˇ cega skupka iz superparamagnetnih koloidnih kroglic velikosti 4,4 μm – pogled od zgoraj. (d) Magnetna pinceta, uporabljena za ustvarjanje magnetnih polj v vzorcu. ˇ Ce vzamemo tri superparamagnetne koloidne kroglice v tanki mikro- skopski celici in vklopimo v ravnini kroˇ zeˇ ce magnetno polje torej dobimo rotor, katerega strukturo zagotavlja privlaˇ cna interakcija med koloidnimi kroglicami. Zaradi magnetnega navora se rotor vrti v smeri kroˇ zenja polja, kot je skicirano na sliki 1, in s tem poganja tekoˇ cinski tok. Na ta naˇ cin je izveden prenos energije za pogon ˇ crpalke na mikroskopsko skalo. Kroˇ zeˇ ce magnetnopoljezapotrebeposkusovsmoustvariliz magnetno pinceto (slika 1 (d)). Na majhnih velikostnih skalah obnaˇ sanje tekoˇ cinskih tokov ni vedno intuitivno, ker so tokovi obiˇ cajno laminarni. Za tekoˇ cinske tokove pri naˇ sih poskusih je bila tipiˇ cna dimenzija kanala L = 10 μm, hitrost toka reda v = 1 μm/s, viskoznost vode pa je okoli 10 −3 Ns/m 2 . Reynoldsovo ˇ stevilo 16–24 19 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 20 — #5 i i i i i i Blaž Kavˇ ciˇ c, Dušan Babiˇ c in Igor Poberaj Re = ρvL/η je v tem primeru reda 10 −5 , kar pomeni, da so bili tokovi globoko v laminarnem reˇ zimu in smo lahko vztrajnostne sile v njih zanema- rili. Pravtakojebiladebelinadvodimenzionalnecelicemanjkot10μm,zato lahko vpliv viˇ sinskih razlik med posameznimi deli tekoˇ cine zanemarimo. Za tekoˇ cinski tok v eksperimentalnem sistemu lahko zato zapiˇ semo poenosta- vljeno Navier-Stokesovo enaˇ cbo −∇ ∇ ∇p+η∇ 2 v = 0, (5) kjerje ptlakvtekoˇ cini, η viskoznostinv hitrosttekoˇ cine. Gornjaenaˇ cbaje odˇ casaneodvisna,izˇ cesarpoPurcellovemteoremu(t.i. scallop theorem [5]) sledi, da mora biti ˇ crpalka zasnovana asimetriˇ cno, da pri vrtenju rotorja lahko poganja tok tekoˇ cine po kanalu. Zgoraj opisan pogonˇ crpalke omogoˇ ca vzporedno delovanje veˇ cihˇ crpalk, saj lahko z istim zunanjim magnetnim poljem hkrati poganjamo velikoˇ ste- viloˇ crpalkvenemmikrofluidiˇ cnemvezju. Njegovaglavnapomanjkljivostje, da lahko poˇ zenemo, ustavimo ali obrnemo tekoˇ cinski tok le v vseh ˇ crpalkah hkrati. Za nadzor nad posamezno ˇ crpalko je treba poiskati naˇ cin za vpliv na vrtenje posameznega rotorja in s tem omogoˇ citi nadzor nad delovanjem posamezne ˇ crpalke v vezju. Ena izmed moˇ znosti je uporaba dielektroforetske sile, ki deluje na di- elektriˇ cna telesa v nehomogenem elektriˇ cnem polju. Takˇ sno polje lahko ustvarimo z elektrodami. Na kroglasto telo v nekem sredstvu v nehomo- genem izmeniˇ cnem elektriˇ cnem polju s frekvenco ω deluje dielektroforetska sila, katere ˇ casovno povpreˇ cena vrednost je hF DEP (r 0 ,ω)i = 2π 1 R 3 Re 2 (ω)− 1 (ω) 2 (ω)+2 1 (ω) ∇ ∇ ∇ E RMS (r 0 ) 2 . (6) TusoRpolmertelesa,Eelektriˇ cnopolje, 1,2 (ω) = 1,2 −iσ 1,2 /ω kompleksni dielektriˇ cnosti sredstva in telesa, ter σ 1,2 prevodnosti obeh snovi. Velikost in smer sile sta odvisni od frekvence elektriˇ cnega polja, od kompleksnih dielektriˇ cnosti sredstva in telesa v njem ter od velikosti gradienta polja. Dielektroforetskosilosmouporabilizanadzorposameznegarotorjatako, da smo ˇ crpalko opremili z dvema paroma mikroelektrod, na katere smo priklopili izmeniˇ cno napetost. V bliˇ zini elektrod je elektriˇ cno polje moˇ cno nehomogeno, zato na delce v bliˇ zini deluje dielektroforetska sila, s katero lahko vplivamo na rotor in s tem spreminjamo njegovo hitrost ali poloˇ zaj v ˇ crpalni komori. 20 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 1 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 21 — #6 i i i i i i Mikrofluidiˇ cno vezje z mikroˇ crpalko 3. Izvedba poskusa Topoloˇ skemikrostrukturezapotrebeposkusovsmoizdelaliv6 μmdebel sloj fotorezista, ki je bil nanesen na standardno mikroskopsko objektno ste- klo. Fotorezistsmoosvetlilinasistemuzadirektnolaserskoosvetljevanje, ki uporablja ultravijoliˇ cni laserski snop z valovno dolˇ zino λ = 375 nm. Sistem s pomoˇ cjo akustooptiˇ cnih deflektorjev in raˇ cunalnika natanˇ cno nadzoruje poloˇ zaj in intenziteto laserskega snopa, kar omogoˇ ca izris oziroma izdelavo struktur z loˇ cljivostjo pod 1 μm. Slika 2. Postopek izdelave mikrofluidiˇ cne celice. Debeline razliˇ cnih slojev na skicah niso v merilu. (a) Nanos fotorezista na objektno steklo. (b) Osvetljevanje fotorezista z UV laserjem. (c) Segrevanje vzorca, ki konˇ ca proces polimerizacije fotorezista. (d) Odstra- nitev (jedkanje) odveˇ cnega fotorezista; na steklu ostane le mikrostruktura. (e) Polnjenje strukture s koloidno suspenzijo. (f) Zatesnitev strukture; celica je s tem pripravljena za meritve. Za izdelavo rotorja ˇ crpalke smo uporabili suspenzijo vode in superpara- magnetnih koloidnih kroglic s premerom 2R = 4,4 μm in susceptibilnostjo 1,6 v zunanjem magnetnem polju z gostoto okoli 3 mT. Iz enaˇ cbe (1) lahko ocenimo magnetni dipolni moment posamezne kroglice, ki znaˇ sa okoli 10 −13 Am 2 . Maksimalna interakcijska energija med parom kroglic je po (4) okoli 100 eV (4000 kT), najveˇ cja sila pa reda 10 pN. Za opazovanje tekoˇ cinskega toka smo v suspenzijo dodali ˇ se nemagnetne koloidne kroglice iz SiO 2 s premerom 2,3 μm. Izdelana mikrostruktura je bila sestavljena iz 6 μmˇ sirokih dovodnih ka- nalov in kroˇ znega kanala z 10 μmˇ siroko komoro z rotorjem ˇ crpalke. Struk- turo smo napolnili s pripravljeno suspenzijo, jo pokrili s krovnim steklom in 16–24 21 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 22 — #7 i i i i i i Blaž Kavˇ ciˇ c, Dušan Babiˇ c in Igor Poberaj zatesnili,sˇ cimerjebilamikroskopskacelicapripravljenazaposkus. Celoten postopek izdelave mikrofluidiˇ cne celice (vezja) je skiciran na sliki 2. V bliˇ zino zaobljene komore smo z lasersko pinceto [6] pripeljali nekaj superparamagnetnih koloidnih kroglic, ki so se v vrteˇ cem zunanjem magne- tnem polju sprijele v rotor. Pri izbrani geometriji kanalov in komore ter pri vrtenju rotorja v nasprotni smeri urinega kazalca (slika 3) je ˇ crpalka poga- njala tok tekoˇ cine po kroˇ znem kanalu v smeri puˇ sˇ cice. Na sliki so oznaˇ cene tudipotigibanjanemagnetnihkoloidnihkroglic,napodlagikaterihsmoopa- zovali vodni tok po kanalih. Dobro so vidne Brownove fluktuacije kroglic, naloˇ zene na gibanje v vzdolˇ zni smeri. Slika 3. Pogled od zgoraj na strukturo kanalov s ˇ sirino in globino 6 μm. V nekoliko ˇ sirˇ si komori je vrteˇ c rotor iz superparamagnetnih koloidnih kroglic premera 4,4 μm, ki poganja tok tekoˇ cine po kanalih. Tok je nakazan s puˇ sˇ cicami in potmi (lomljene ˇ crte) manjˇ sih nemagnetnih kroglic. Hitrost toka tekoˇ cine smo ocenili iz hitrosti gibanja nemagnetnih kro- glic. Izmerili smo, da hitrost naraˇ sˇ ca linearno s frekvenco rotorja, najveˇ cje doseˇ zene hitrosti so bile do 5 μm/s. Odvisnost frekvence rotorja od fre- kvence zunanjega magnetnega polja in odvisnost hitrosti sledilnih kroglic od frekvence rotorja prikazuje slika 4. Za izdelavo ˇ crpalke z mikroelektrodami smo uporabili mikroskopsko ob- jektno steklo z naparjeno tanko plastjo kroma, nanj nanesli fotorezist in izdelali mikrostrukturo v obliki ˇ stirih elektrod. Po jedkanju odveˇ cnega fo- torezista smo z jedkanjem odstranili odveˇ cni krom ter preostalo strukturo iz fotorezista, tako da je na steklu ostala le tanka mikrostruktura iz kroma. Nanesli smoˇ se drugi sloj fotorezista in izdelali ustrezno topoloˇ sko strukturo kanalov. Tako smo dobili dvoplasten sistem kanalov in elektrod. Zasnova kanalovjeostalaskorajenaka, ledajebilaˇ crpalnakomorasimetriˇ cnozaob- ljena in opremljena z elektrodami. Izdelana struktura je prikazana na sliki 5 (a). 22 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 1 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 23 — #8 i i i i i i Mikrofluidiˇ cno vezje z mikroˇ crpalko Slika4. Levo: frekvencavrtenjarotorjavodvisnostiodfrekvencezunanjegamagnetnega polja. Desno: hitrost toka sledilnih nemagnetnih kroglic v odvisnosti od frekvence rotorja ˇ crpalke. Z vklopom izmeniˇ cne napetosti na elektrodah zaˇ cne na rotor delovati dielektroforetska sila. V primeru, prikazanem na sliki 5 (b), se rotor vrti ob desni steni ˇ crpalne komore v smer, nasprotno smeri urinega kazalca, ter s tem ˇ crpa tok tekoˇ cine v smer, ki je oznaˇ cena s puˇ sˇ cico. S spremembo predznaka napetosti na elektrodah se rotor premakne na nasprotno stran ˇ crpalne komore, zaradi ˇ cesar se smer toka obrne (slika 5 (c)). Slika 5. (a) Pogled od zgoraj na strukturo kanalov, narejenih v plast fotorezista, pod katero je tanka struktura iz kroma (ˇ crna barva). (b) Ko se zunanje magnetno polje v ravnini kanala vrti v smer, nasprotno smeri urinega kazalca, rotor ustvarja tok tekoˇ cine v smeri, oznaˇ ceni s puˇ sˇ cico. (c) ˇ Ce rotor pri istih pogojih s spremembo predznaka napetosti na elektrodah premaknemo na nasprotno stran ˇ crpalne komore, se smer toka obrne. Bela ˇ crtica na slikah ustreza dolˇ zini 10 μm. Sspreminjanjempredznakanapetostinaobehparihelektrodtorejlahko spreminjamo smer tekoˇ cinskega toka, s spreminjanjem velikosti napetosti pa je moˇ zno rotor upoˇ casniti ali ustaviti in tako zvezno uravnavati pretok tekoˇ cineskoziˇ crpalko. Zunanjemagnetnopolje, kipoganjaˇ crpalke, pritem 16–24 23 i i “obzornikKavcic” — 2009/3/30 — 17:33 — page 24 — #9 i i i i i i Blaž Kavˇ ciˇ c, Dušan Babiˇ c in Igor Poberaj ostane nespremenjeno. 4. Sklep Prikazali smo, da je mogoˇ ce izdelati preprosto mikrofluidiˇ cnoˇ crpalko, ki je sestavljena iz superparamagnetnih koloidnih kroglic. Zunanje magnetno poljezagotavljatrdnostrotorjainˇ crpalkohkratipoganjaterstemomogoˇ ca prenos energije za pogon ˇ crpalke na mikroskopsko skalo. Rotor ˇ crpalke se v magnetnempoljusestavisam. Hitrostinsmerˇ crpanjatekoˇ cinskegatokasta odvisni od gostote, hitrosti in smeri vrtenja zunanjega magnetnega polja. Kadar pa imamo v enem mikrofluidiˇ cnem vezju veˇ cje ˇ stevilo podobnih ˇ crpalk, ki jih poganja isto zunanje magnetno polje, lahko smeri in hitrosti vrtenja rotorjev s poljem spreminjamo le v vseh ˇ crpalkah v vezju hkrati. Zato je pomembno, da ima posamezna ˇ crpalka v vezju dodatno moˇ znost individualnega nadzora nad rotorjem in s tem tudi nad hitrostjo in smerjo toka tekoˇ cine skozi posamezno ˇ crpalko. Z uporabo dielektroforetske sile v nehomogenem elektriˇ cnem polju elektrod smo omogoˇ cili in v praksi prviˇ c prikazali nadzor tako smeri kot tudi hitrosti ˇ crpanja posameznih ˇ crpalk, ki jih poganja isto zunanje magnetno polje. Zahvala Opisano delo je bilo narejeno v Laboratoriju za eksperimentalno fiziko mehke snovi na Oddelku za fiziko na Fakulteti za matematiko in fiziko, Univerza v Ljubljani. Zahvaljujemo se Natanu Ostermanu za pomoˇ c inˇ ste- vilne praktiˇ cne nasvete, Uroˇ su Jorgaˇ cevskemu za izdelavo mehanskih delov, dr.PetruPanjanuizodsekaF3InstitutaJoˇ zefStefanzanaparevanjetankih slojev kroma na steklo ter dr. Mojci Vilfan iz odseka F7 za nasvete pri delu. LITERATURA [1] G. M. Whitesides, The origins and the future of microfluidics, Nature 442 (2006), str. 368–373. [2] T. M. Squires in S. R. Quake, Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale, Rev. Mod. Phys.77 (2005) 3, str. 977–1026. [3] J.W.HonginS.R.Quake,Integrated nanoliter systems,NatureBiotechnol.21(2003), str. 1179–1183. [4] S. Bleil, D. W. M. Marr in C. Bechinger, Field-mediated self-assembly and actuation of highly parallel microfluidic devices, Appl. Phys. Lett.88 (2006), 263515. [5] E. M. Purcell, Life at low Reynolds number, Am. J. Phys.45 (1977) 1, str. 3–11. [6] A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm in S. Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, Opt. Lett.11 (1986) 5, str. 288. 24 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 1