Optisesti luotujen sähkökenttien käyttö mikrofluidistiikan ja solumanipuloinnin sovelluksissa

This thesis is a part of OPTIMI (Optically actuated microfluidics) project supported by Academy of Finland. The participants of the project were Tampere University of Technology (TUT) and Helsinki University of Technology (HUT). The goal of the project was to develop a flexible biomedical microfluidic system composed from completely optically induced components. Electrowetting is a mechanism to transport microscale droplets electrically. In electrowetting-based manipulation, droplet is moved by locally modifying the surface tension of liquid. In this thesis, optically induced electrowetting, named as optoelectrowetting, that is using a photoconductive surface for addressing electric fields used for electrowetting, is presented. Optoelectrowetting provides a flexible, illumination-based creation of electric fields that are used to control surface tension of liquid. The scope of this thesis work is to develop a system where the optoelectrowetting mechanism could be implemented to enable manipulation of microliter droplets. This thesis focuses on modelling the optoelectrowetting device in order to provide the requirements for effective optoelectrowetting system. The idea is that these requirements could be used as a guideline for developing a reconfigurable microliter droplet manipulation platform using optoelectrowetting. Theoretical backgrounds of the optoelectrowetting together with the closely related phenomena are discussed in the first part of this thesis. It includes also a short overview of applications, where optically triggered photoconductive layer have already been used. Furthermore, some potential applications are outlined in this part. The second part of this thesis consists of experimental work and modelling. Based on the requirements for the effective optoelectrowetting manipulation presented in the experimental part, an optoelectrowetting device is proposed. Experiments that are supporting the proposed model are reported. In the last part of this work, the refined requirements for effective optoelectrowetting manipulation are presented. As a result of the proposed model, the usability of the system is considered. In the end of this thesis, possible future development with the outlined device is discussed. /Kir10Tämä diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa OPTIMI – projektia (Optisesti ohjattava mikrofluidistiikka), jossa tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmiä integroida useita erilaisia optisia ohjausmenetelmiä yhdelle alustalle. Projektin tavoitteena oli siinä kehitettyjen menetelmien hyödyntäminen mikrofluidistiikan eri sovelluksissa, esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa ja analysoinnissa. Tampereen teknillisen yliopiston lisäksi projektissa oli mukana Teknillisen korkeakoulun (kuuluu nykyisin Aalto-yliopistoon) Automaatio- ja systeemitekniikan laitos. Projektin ensimmäinen vaihe liittyi erilaisten optisesti ohjattujen menetelmien perehtymiseen ja arviointiin niiden toteuttamiskelpoisuudesta projektin puitteissa. Selvityksen perusteella tämän diplomityön aihe päätettiin rajata koskemaan vain mikropisaroiden manipulointia. Työn tavoitteena on mallintaa järjestelmä, jossa tilavuudeltaan mikrolitran kokoluokkaa olevaa pisaraa pystytään ohjaamaan valolla luotujen sähkökenttien avulla. Muut työn ydinaihetta läheisesti sivuavat aiheet, kuten valolla luotujen sähkökenttien käyttö solumanipuloinnin sovelluksissa, esitellään ainoastaan lyhyesti tässä työssä. Mikrofluidistiikan avulla monet perinteiset laboratoriotestit voidaan siirtää yhdelle alustalle. Samalla testianalyysien automatisointiastetta on mahdollista kasvattaa, mikäli vain löydetään ratkaisu useamman eri toiminnon integroimiseen samalle alustalle. Lisäksi analyyseihin tarvittavaa aikaa pystytään pienentämään mikrofluidistiikan avulla, koska useat prosessit, esimerkiksi analyyseissä yleiset kemialliset reaktiot, tapahtuvat huomattavasti nopeammin pienemmässä tilavuudessa. Täten mikrofluidistiikka mahdollistaa analyysien nopeuden ja määrän merkittävän kasvattamisen. Massatuotannossa edullisten mikrofluidistiikkaan perustuvien analyysialustojen etuja perinteisiin menetelmiin verrattaessa ovat myös vähäisempi käytettävien aineiden, kuten kemikaalien, käyttö ja kulutus sekä kannettavien laitteiden suoma mahdollisuus paikan päällä tapahtuvaan seurantaan. Perinteisessä mikrofluidistiikassa järjestelmät ovat rakennettu miniatyrisoimalla makromaailmassa käytettyjä komponentteja. Esimerkiksi nesteen liikuttelu tapahtuu tyypillisesti alustaan liitettyjen mikropumppujen avulla mikrokanavissa, joiden poikkileikkausmitat ovat yleensä alle millimetrin kokoluokkaa. Mittasuhteiden pienentäminen aiheuttaa muun muassa sen, että nesteen virtausnopeus tietyllä paineella hidastuu mikrokanavassa verrattuna suurempaan kanavaan. Pienenemisestä johtuvat ilmiöt saattavatkin aiheuttaa merkittäviä pullonkauloja erityisesti nopeutta vaativissa analyyseissa. Seurauksena on helposti se, että kaikkien tarvittavien komponenttien, erityisesti tarpeeksi tehokkaiden pumppujen, miniatyrisointi yhdelle sirulle ei onnistu. Tästä johtuen viime aikoina onkin kehitelty useita erilaisia mikroluokan nesteiden siirtoon perinteisiä menetelmiä paremmin soveltuvia tekniikoita. Yksi kiinnostavimmista uusista tekniikoista on niin kutsuttu digitaalinen mikrofluidistiikka, jossa perinteinen jatkuva nestevirtaus mikrokanavissa on korvattu erillisten pisaroiden ohjaamisella. Digitaalisessa mikrofluidistiikassa fyysiset mikrokanavat on korvattu pinnalla, jonka alla sijaitsee ohjattava elektrodimatriisi. Pisaroiden liikutteleminen tapahtuu niin kutsuttua electrowetting-periaatetta hyväksikäyttäen. Kyseisessä menetelmässä nestepisaran manipulointi onnistuu muuttamalla sen pintajännitystä tarpeeksi suuren sähkökentän avulla. Pintajännityksen vaihtuminen aiheuttaa muutoksen pisaran ja pinnan väliseen kontaktikulmaan. Kytkettäessä sähkökenttä vain yhdelle nestepisaran puolelle, pystytään pisaraan pintajännitystä muokkaamaan paikallisesti. Tällöin nestepisaran kontaktikulman muutos on erisuuruinen pisaran vastakkaisilla puolilla, luoden paine-eron pisaran sisälle, joka saa aikaan pisaran liikkumisen. Elektrodimatriisia sopivasti ohjaamalla pystytään samanaikaisesti manipuloimaan useampia pisaroita, täten mahdollistaen samanaikaisesti suuren määrän yksilöllisesti ohjattavia rinnakkaisia operaatioita. Tyypillisesti järjestelmän mikroelektrodit valmistetaan perinteisillä mikropiirien valmistusmenetelmillä. Koska pienin mahdollinen liikuteltavissa oleva pisaran koko määräytyy käytettyjen mikroelektrodien perusteella, vähentää niiden käyttö alustojen uudelleenkäytettävyyttä erisuuruisten pisaroiden liikuttamisessa. Lisäksi, mikäli elektrodeja halutaan edelleen pienentää pienempien pisaroiden ohjaamista varten, niiden kytkeminen vaikeutuu. Tästä johtuen hiljattain on esitetty konsepti, jossa pisaran manipulointi perustuu esitettyyn electrowetting-periaatteeseen ilman yllä esitettyjä ongelmia. Sen toiminta perustuu valojohtavan kerroksen käyttämiseen sähkökenttien osoittamisessa. Kyseisen kerroksen johtavuutta pystytään paikallisesti kasvattamaan sopivalla valaistuksella. Esitetyssä järjestelmässä pisaran hallitsemiseen tarvittavat sähkökentät luodaan virtuaalisesti säädettävällä valolla. Koska koko elektrodikerros on samassa potentiaalissa, myös elektrodien yksilöllisestä osoituksesta aiheutuva ongelma poistuu. Toimintaperiaate on se, että kun valoa ei tuoda järjestelmään, valojohtavan kerroksen impedanssi on suuri. Tämä estää merkittävän sähkökentän vaikutuksen pisaraan. Valaistaessa valojohtavan kerroksen impedanssi pienenee, sallien pisaran valo-ohjatun kontrolloimisen. Tämä mahdollistaa joustavan ja uudelleen muokattavan järjestelmän rakentamisen mikrofluidistiikan eri sovelluksiin, ratkaisten samalla suurimmat perinteisessä digitaalisessa mikrofluidistiikassa esiintyvät ongelmat. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella laite, jolla mikroskooppisen mikropisaran ohjaaminen onnistuu optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Yhteistyö projektissa oli päätetty niin, että Teknillinen korkeakoulu kehittää ja valmistaa analyyseissä käytettävän alustan, kun taas Tampereen teknillinen yliopisto keskittyy alustan implementoimiseen mikrofluidistiikan sovelluksiin. Tästä johtuen tämän diplomityön pääpaino on optisesti luotujen sähkökenttien käytön mallintamisessa mikrofluidistiikan sovelluksiin. Työn keskittyessä mallintamiseen, ilmiön taustan kartoittaminen perustui suurelta osin muiden tutkimusryhmien raportointeihin. Tässä katsauksessa tuli selkeästi esille, kuinka esitetyt mallit ja tutkimustulokset aiheesta ovat vielä ristiriitaisia. Koska projektin tavoitteena oli mahdollisimman monipuolisen ja toimivan järjestelmän rakentaminen, on tarkasteltavan ilmiön yksityiskohtainen tietämys erittäin tarpeellista. Työssä olikin ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, miten optisesti luodut sähkökentät vaikuttavat nestepisaran käyttäytymiseen. Työn ensisijaisena tavoitteena oli rakentaa malli, joka kuvaisi tarpeellisen tarkasti käsiteltyä ilmiötä. Julkaisuiden osittain ristiriitaisesta ilmiön esittämisestä johtuen tämän työn tuloksena ehdotetun mallin toimintaperiaate on uusi, vaikka se käyttääkin ilmiön mallintamisessa hyödyksi jo olemassa olevia ekvivalenttipiirejä. Huolimatta siitä, että uusi malli onkin hyvin pelkistetty, alustavien testien perusteella se todettiin olevan käyttökelpoinen ja siten soveltuvan haluttuun käyttötarkoitukseensa. Järjestelmän suunnittelussa aluksi muodostetaan sitä vastaava ekvivalenttipiiri, jossa eri kerrokset on mallinnettu niille sopivilla komponenteilla. Tämän jälkeen mallin avulla lasketaan näiden eri komponenttien arvot kyseisessä järjestelmässä. Kun saadut arvot sijoitetaan ekvivalenttipiiriin, on mahdollista laskea nestepisaran pintajännitykseen vaikuttavan voiman suuruus. Tämän perusteella pystytään arvioimaan, kuinka nestepisara käyttäytyy pinnalla. Mallin avulla on mahdollista myös tutkia, kuinka järjestelmän parametrien muuttaminen vaikuttaisi laitteen toimintaan. Tätä voidaan käyttää hyväksi kahdessa eri tapauksessa. Ensinnäkin, muodostettua mallia apuna käyttäen on mahdollista määritellä parhaiten sopivia ohjausparametreja jo valmiina oleviin järjestelmiin, sen avulla voidaan esimerkiksi löytää tietyn järjestelmän optimaalisin sähkökentän taajuusalue. Mallin avulla pystytään myös suunnittelemaan järjestelmä, joka mahdollistaa nestepisaran tehokkaan liikuttamisen optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Työssä kehitellyn mallin perusteella ehdotetun järjestelmän pitäisi mahdollistaa toivottu nestepisaran manipulointi optisest luotujen sähkökenttien avulla. Mahdollisessa jatkokehityksessä on ensiarvoisen tärkeää, että alustan rakentamiseen liittyvät ongelmat saadaan ratkaistua. Esimerkiksi elektrodien päällystäminen valojohtavalla kerroksilla todettiin erittäin haasteelliseksi. Valmistuksesta johtuvat vaikeudet tulivat konkreettisesti esille erityisesti omien mittausten aikana. Koska ilmiö on verrattain uusi eikä kattavaa teoriaa ole esitetty, on myös ensisijaisen tärkeätä panostaa ohjausmenetelmän taustalla vaikuttavien ilmiöiden tarkempaan teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimiseen