ITTO20070554A1 - Dispositivo per il controllo del moto di fluidi in micro o nanocanali tramite onde acustiche superficiali. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo per il controllo del moto di fluidi in micro o nanocanali tramite onde acustiche superficiali "

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il controllo attivo del moto di fluidi in strutture micro e nanofluidiche su chip, e più specificamente riguarda un dispositivo di controllo del moto di fluidi in micro o nanocanali secondo il preambolo della rivendicazione 1.

I sistemi micro- e nano-fluidici, ossia con sezione dei canali di distribuzione di un fluido comprese tra 1 nanometro e 1 millimetro, rappresentano dispositivi importanti per applicazioni biologiche, chimiche, biochimiche, optofluidiche e di sensoristica, poiché permettono di eseguire molti esperimenti diagnostici, di tipo chimico o ottico, rapidamente ed in parallelo, integrando molte funzionalità analitiche complesse, ma limitando il consumo di reagenti e campioni, poiché tipicamente i volumi di liquido impiegati sono compresi tra 1 picolitro e pochi nanolitri.

Al fine di ottenere una elevata efficienza ed integrazione di questi sistemi è richiesto un controllo attivo del moto dei fluidi attraverso elementi attivi integrabili su chip quali pompe, valvole e miscelatori.

Purtroppo, una estesa diffusione dei dispositivi micro- e nano-fluidici è fortemente limitata dalla scarsa possibilità di incorporare questi elementi e garantire un controllo accurato e riproducibile del moto di un fluido all’ingresso, all'uscita e lungo il percorso di canali micro- e nanofluidici .

Altre difficoltà sono legate ad alcuni prerequisiti fondamentali per i dispositivi di uso pratico: essi devono essere relativamente poco costosi, compatibili con i processi di analisi del fluido (ad esempio, compatibili con flussi elettroosmotici, ossia non conduttivi), portatili e compatti, e devono presentare eccellenti proprietà dì tenuta tra tutti gli elementi per sopportare elevate pressioni interne o esterne.

Tipicamente, fluidi polari come le soluzioni acquose possono riempire micro e nanocanali idrofili (ossia con angolo di contatto inferiore a 90°) per capillarità spontanea, ma questo movimento non può essere controllato con precisione. Al contrario, nel caso di capillari o reti di capillari idrofobi, gli stessi fluidi devono essere in qualche misura forzati nei micro e nanocanali. Le pressioni necessarie possono essere generate mediante sistemi di pompaggio esterni come ad esempio pompe siringa collegate con i dispositivi. Questi sistemi richiedono tuttavia una ottima tenuta e numerose connessioni a dispositivi esterni che riducono fortemente la portabilità e la compattezza dell'intero sistema .

Un metodo di pompaggio alternativo noto è basato sul controllo di flusso per via elettroosmotica. Esso permette il trasporto di fluidi e fornisce una velocità pressoché costante entro i canali e può essere integrato senza connessioni esterne invasive. Tuttavia, questo approccio richiede cadute di tensione assai elevate lungo i canali, dell'ordine di centinaia o migliaia di volt, ed è assai sensibile alle proprietà del fluido, quali la forza ionica, il pH e la composizione ionica, nonché alla presenza di cariche elettriche sulle superfici dei canali. Inoltre, la tecnica di controllo per flusso elettro-osmotico non è tipicamente in grado di pompare liquidi ad elevate portate (maggiori di 1 mm/s) in alcun tipo dì micro o nanocanale.

Sono noti altri dispositivi miniaturizzati per il trattamento di fluidi, che includono un controllo del moto del fluido per via elettrostatica, piezoelettrica, termopneumatica, elettromagnetica, bimettalica ed a mezzo di leghe a memoria di forma. Molti di questi dispositivi sono fabbricati utilizzando tecnologie di sistemi micro-elettromeccanici (MEMS) su silicio, ma la scarsa affidabilità, e gli elevati tempi e costi di produzione sono aspetti che ne limitano la diffusione.

Per ridurre i costi complessivi di produzione di micro e nanodispositivi fluidici è stato recentemente studiato l'impiego di materiali polimerici, la cui lavorazione è ora possibile in virtù di tecnologie di micro e nanofabbricazione di recente diffusione, quali soft lithography e imprint lithography, che consentono di generare micro e nanostrutture plastiche rapidamente ed a basso costo, con elevato rendimento.

Ad esempio, una struttura dì canali miniaturizzati convenzionale può essere trasferita ad un polimero flessibile, quale il polidimetilsilossano (PDMS), al fine di integrare pompe e valvole controllabili per via pneumatica. Questo approccio presenta i vantaggi di semplicità ed economia di fabbricazione, rapidità di prototipizzazione ed una generale biocompatibilità dei materiali. Svantaggiosamente, le valvole e le pompe così prodotte sono fondamentalmente sistemi passivi, a causa delle difficoltà presenti nell'integrare dispositivi attuatori , tipicamente azionati esternamente per vìa pneumatica. In particolare, queste soluzioni sono scarsamente compatibili con un controllo elettronico integrato di un chip recante una struttura micro o nanofluidica unitamente ad altri dispositivi di analisi .

Dna tecnologia di micropompaggio degna di nota è descritta in W097/25531. Essa si basa sull'impiego di un meccanismo di "acoustìc streaming flow' per forzare fluidi in condotti capillari. La tecnica di trasporto per "acoustic streaming flow" è basata sul trasferimento di energia e quantità dì moto di un'onda acustica ad un mezzo fluido presente lungo il percorso di propagazione dell'onda. L'interazione determina un aumento netto dell’energia cinetica del mezzo fluido ed il suo movimento. Questo fenomeno è scientificamente noto dal tardo 1800 ed è stato recentemente studiato anche dal punto di vista della natura quantistica del sistema. In virtù delle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto la tecnica di "acoustic streaming flow" determina il moto del mezzo fluido a cui è applicata lungo una direzione concorde alla direzione di propagazione dell'onda acustica. A causa del progressivo allontanamento del fluido dalla sorgente acustica e dell’assorbimento della potenza acustica da parte del fluido e del mezzo di propagazione, l'efficienza di questo meccanismo di pompaggio diminuisce lungo il percorso del fluido e in pratica impedisce la realizzazione di lunghi canali microfluìdici, a meno dell'inclusione di gruppi di micropompe distribuiti lungo la lunghezza del canale.

Una differente tipologia di sensori ed attuatori che applicano il meccanismo fisico di "acoustic streaming flow" sopra menzionato è stata recentemente sviluppata sfruttando le caratteristiche delle onde acustiche superficiali (SAW).

Un'onda acustica superficiale è tipicamente generata lungo la superficie di un materiale piezoelettrico per mezzo di trasduttori metallici interdigitati (IDT). I trasduttori acustici interdigitati sono strutture periodiche che consistono di una successione di strisce metalliche (elettrodi) intercalate a pettine, alternatamente collegate a piste collettrici di distribuzione del segnale elettrico come mostrato in figura 1. Il periodo di un trasduttore è determinato dalla distanza tra strisce di elettrodi opposti e determina il periodo dell'onda acustica superficiale citata. La geometria di un trasduttore può variare secondo le caratteristiche spettrali desiderate dell'onda acustica. La periodicità del trasduttore e la velocità dell'onda acustica nel mezzo piezoelettrico determinano la frequenza di risonanza per l'eccitazione della SAW. Nella configurazione tradizionale di propagazione di SAW su un substrato di niobato di litio le frequenze di risonanza di un trasduttore sono tipicamente dell'ordine di decine o centinaia di MHz. Frequenze di lavoro differenti, ossia differenti periodicità del trasduttore, possono essere impiegate in funzione delle dimensioni tipiche della rete micro o nanofluidica a cui il trasduttore è accoppiato .

La figura 1 mostra una tipica configurazione di trasduttore interdigitato per la generazione di un'onda acustica superficiale.

L'onda acustica è generata alla superficie libera di un substrato piezoelettrico con proprietà elastiche per applicazione di una tensione alternata agli elettrodi metallici del trasduttore. Quando è applicata una tensione a radiofrequenza tra gli elettrodi del trasduttore la proprietà di piezoelettricità del substrato permette la conversione del segnale elettrico in una deformazione del reticolo del materiale di substrato, per cui si genera una deformazione periodica della superficie libera del substrato sotto al trasduttore, in grado di eccitare onde acustiche superficiali che si propagano all'interfaccia substrato-aria. Per effetto della simmetria del trasduttore vengono emesse alle estremità del trasduttore due onde acustiche propagantisi in direzioni opposte. La propagazione può essere resa facilmente unidirezionale includendo riflettori o assorbitori noti nella geometria del dispositivo .

Le SAW sono sfruttate anche per il trasporto e la movimentazione di piccole quantità (gocce) di liquidi depositate su superfici libere, lungo la direzione di propagazione dell'onda acustica.

Questa tecnologia consente anche la divisione e la fusione di piccole quantità di fluido, ad esempio per il controllo del movimento di reagenti erogati in forma di gocce su superfici che presentano regioni a differenti funzionalizzazioni chimiche.

Impiegando questa tecnologia sono stati sviluppati micromiscelatori efficienti, inclusi in sistemi microfluidici per migliorare la miscelazione a regimi a basso numero di Reynolds, migliorando fortemente diverse reazioni biochimiche.

Scopo della presente invenzione è di fornire una tecnica perfezionata per il controllo del moto di fluidi in ingresso, uscita e lungo strutture micro o nanofluidiche, integrate su chip.

Secondo l'invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di controllare il moto di un elemento di fluido mediante onde acustiche superficiali propagantesi in direzione opposta alla desiderata direzione di movimento del fluido, e riguarda il controllo dell'ingresso, uscita e moto dei fluidi in reti di micro e nanocanali attraverso sistemi di pompaggio basati sulla contropropagazione di onde acustiche superficiali generate da trasduttori interdigitati su materiali piezoelettrici.

Questo meccanismo differisce dalla tradizionale metodologia di induzione del moto in un fluido attraverso una tecnica di "acoustic streaming flow", e determina un pompaggio ed un trattamento del fluidi molto più efficiente in micro e nanocanali .

Inoltre, questa geometria di dispositivo consente una realizzazione efficiente di micropompe e microvalvole integrate in sistemi microfluidici, per cui fornisce una effettiva possibilità di assemblaggio ed integrazione dei sistemi.

Sono descritti anche processi di fabbricazione di dispostivi micro o nanofluidici su chip, includenti elementi attivi integrati per un completo controllo del flusso di fluidi nei micro o nanocanali .

Un dispositivo micro- o nanofluidìco è realizzato sovrapponendo due strati funzionali, rispettivamente un substrato piezoelettrico, atto a sostenere la propagazione di onde acustiche superficiali generate mediante trasduttori interdigitati microfabbricati, ed uno strato strutturato di materiale plastico, in cui è definita una rete di micro e nanocanali desiderata per l'applicazione di destinazione .

Nella realizzazione del dispositivo su chip lo strato strutturato di canali è allineato con i trasduttori in modo tale che gli elettrodi digitali dei trasduttori risultino disposti in senso ortogonale alle pareti laterali dei canali cui sono associate.

Il substrato attualmente preferito per l'eccitazione di SAW è niobato dì litio (LiNb03), ma sono possibili anche substrati di quarzo, Bii2GeO20o Li-Ta03o ogni altro materiale piezoelettrico che presenti sufficiente accoppiamento piezoelettrico può essere utilizzato.

La generazione di SAW è ottenuta per applicazione di tensione alternata agli elettrodi del trasduttore interdigitato depositato sulla superficie del substrato piezoelettrico. In una forma di realizzazione preferita sono utilizzati trasduttori la cui configurazione comprende una schiera di coppie di elettrodi polarizzati con polarità alterna.

I trasduttori sono fabbricati attraverso teeniche di deposizione di film metallici standard quali litografia a fascio elettronico o fotolitografia, evaporazione metallica, lift-off, per citare alcuni esempi.

La superficie del substrato piezoelettrico può essere rivestita con una sottile pellicola di materiale inerte, ad esempio ossido di silicio, avente uno spessore molto inferiore alla lunghezza dell'onda acustica superficiale, atto a costituire uno strato di base appropriato per impieghi biologici o biochimici .

Lo strato strutturato di canali è preferibilmente fabbricato utilizzando tecniche di replica molding, ossia preparando una matrice elastomerica di replica per formatura del pre-polimero liquido di un elastomero su una matrice conformata con una struttura in rilievo riproducente il modello della struttura di canale desiderata. La successiva solidificazione termica determina il trasferimento della configurazione dalla matrice di stampo alla replica elastomerica. La medesima tecnica può essere utilizzata per generare repliche polimeriche utilizzando una soluzione di polimero termoplastico nel suo solvente. Altre tecniche e materiali differenti possono essere impiegati per ottenere una rete di microcanali, tra cui polimeri, semiconduttori, vetri, ceramiche, plastiche, ecc.. Numerosi materiali plastici forniscono un'eccellente stabilità meccanica e termica ed un'elevata resistenza a solventi, acidi e basi.

La scelta attualmente preferita di una tecnica di replica molding per realizzare canali in polidimetilsilossano (PDMS) offre numerosi vantaggi:

- il polidìmetilsilossano, per effetto delle sue caratteristiche elastiche, può essere rilasciato facilmente, anche da strutture complesse e fragili;

- repliche di polidìmetilsilossano possono tipicamente conformarsi al substrato su un’area relativamente grande senza trattamenti chimici della superficie del substrato;

- il polidìmetilsilossano fornisce una superficie a ridotta energia libera di interfaccia (21 6xl0<"3>J/m<2>} e chimicamente inerte, rendendo i relativi dispositivi adatti ad applicazioni biologiche;

i dispositivi possono essere rapidamente prototipizzati, con ridotti costi di produzione.

Convenientemente, il dispositivo finale è assemblato per sovrapposizione dello strato strutturato di canali sul substrato piezoelettrico recante ì trasduttori e successiva sigillatura {termica, per irradiazione fotonica, per esposizione al plasma, chimica, ...), reversibile o irreversìbile, per la definizione di canali chiusi.

Per generare un'onda acustica superficiale sul substrato i trasduttori sono collegati ad una sorgente di tensione alternata esterna attraverso le strisce collettrici dei propri elettrodi.

Attraverso una scelta appropriata della geometria del dispositivo, in particolare la predisposizione di trasduttori atti a generare onde acustiche superficiali con lunghezza d'onda inferiore alle dimensioni caratteristiche del canale, la propagazione delle onde acustiche superficiali determina un gradiente di pressione lungo il canale, che produce una forza risultante sul fluido diretta nella direzione opposta rispetto alla direzione di propagazione dell'onda. Il fluido pertanto si propaga in senso contrario alla direzione di diffusione dell'onda acustica.

Si è verificato che questo effetto risulta più efficace e flessibile rispetto alla tradizionale tecnica di "acoustic streaming flow", che forza necessariamente il fluido a muoversi lungo una direzione concorde alla direzione di propagazione dell'onda acustica.

La configurazione proposta non richiede pertanto propagazione dell'onda acustica lungo l'intero canale micro o nanofluidico, ma solo una forte interazione all'interfaccia fluido/aria (canale libero) . Ciò consente di ottenere un pieno controllo del flusso del fluido attraverso un singolo trasduttore. Infatti, è ottenibile la propagazione dell'onda acustica dal trasduttore all'elemento di fluido (goccia) da trascinare senza un apprezzabile decadimento dell'onda e perdita dì energia, e a distanze più lontane, poiché la propagazione dell’onda acustica superficiale avviene all'interfaccia tra substrato piezoelettrico ed aria.

Allo spegnimento dell'onda acustica superficiale il moto del fluido è quindi immediatamente interrompibile non essendo più trasferita alcuna energia al fluido, che si trova all'interno di un canale idrofobico dove la capillarità spontanea è soppressa. Il flusso può essere successivamente ristabilito riattivando l'onda acustica.

Ad esempio, secondo la tecnica descritta è possìbile controllare un elemento di fluido (una goccia) dall'ingresso all'uscita di un canale di lunghezza pari a 1 miri, larghezza pari a 500 micron ed altezza pari a 50 micron, in pochi secondi.

Inoltre, la velocità di riempimento o percorrenza del canale può essere accordata variando in modo controllato la potenza dell'onda acustica superficiale di trascinamento, ossia la potenza del segnale elettrico applicato al trasduttore interdigitato. Ciò consente di utilizzare un singolo micro o nanocanale integrato con una pluralità di trasduttori come mezzo erogatore di piccoli volumi di fluido (da pochi picolitri a pochi microlitri).

Impiegando il dispositivo descritto secondo l'invenzione è possìbile realizzare dispositivi micro o nanofluidici con micropompe e valvole attive integrate, ciascuna determinata da una configurazione selettiva di trasduttori attivi e percorsi di canale, le quali non necessitano di alcun elemento attuatore esterno e sono controllabili interamente per via elettronica. Un singolo trasduttore può essere utilizzato come pompa o valvola per ottenere un controllo del flusso di un fluido in un singolo micro o nanocanale, così da ottenere un volume dì assemblaggio ridotto ed una ottimale integrazione in dispostivi micro o nanofludici complessi.

In particolare, l'approccio oggetto dell'invenzione può essere utilizzato in micro o nanocanalì idrofobici i quali vantaggiosamente riducono l'adsorbimento di molecole disciolte nei fluidi in moto (proteine, enzimi, coloranti ed altre molecole organiche) sulle superfìci di canale, rimuovendo ogni problema correlato ad un moto capillare spontaneo, quindi in larga misura non controllabile.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione esemplificativa di un trasduttore interdigitato per la generazione di onde acustiche superficiali secondo la tecnica nota;

la figura 2 è un diagramma di flusso di una forma di realizzazione esemplificativa di un procedimento di fabbricazione di una struttura micro o nanofluìdica secondo 1'invenzione;

le figure 3a-3ì sono raffigurazioni schematiche, in sezione trasversale, degli elementi che intervengono nel procedimento di fabbricazione di una struttura micro o nanofluìdica secondo il diagramma di flusso di figura 2;

le figure 4a e 4b sono rappresentazioni assonometriche di un dispositivo micro o nanofluidico comprendente una rete complessa dì micro- nanocanali e trasduttori per la generazione di onde acustiche superficiali, secondo un dispositivo per il controllo del moto di fluidi oggetto dell'invenzione; e

la figura 4c è una rappresentazione esemplificativa di una configurazione di controllo del moto di un fluido secondo l'invenzione.

Con riferimento alle figure 2 e 3 è descritta nel seguito una successione di fasi di un processo di fabbricazione di una struttura micro o nanofluidica.

In una prima fase 102 un resist è applicato su un substrato 10, ad esempio un substrato di silicio.

Preferibilmente, il resist è applicato sul substrato attraverso una tecnica di spin coating, formando uno strato di resist 20 avente uno spessore compreso tra alcuni nanometri ed alcune centinaia dì micron, all'altezza (profondità) di canale che si vuole ottenere (figura 3a).

In un passo successivo 104, lo strato di resist 20 viene strutturato, ad esempio per esposizione ad una radiazione attraverso una maschera di allineamento, dando origine ad uno strato di resist strutturato 21 (figura 3b).

In una fase 106 lo strato 21 è sottoposto a cottura per determinare la reticolazione selettiva della porzione strutturata dello strato stesso, e al passo 108 lo strato viene sviluppato per produrre uno strato di resist configurato 22 {figura 3c).

Dopo un successivo processo di indurimento per cottura {ad esempio della durata di 15 minuti circa alla temperatura di 180°C) in una fase 110, lo strato 22 è approntato per essere utilizzato come matrice di stampo per replicare le caratteristiche della matrice su materiali termoplastici o elastomerici, come mostrato nelle figure 3d-3i.

In una fase 112 uno strato 23 di pre-polimero liquido è colato sulla matrice fabbricata ai passi precedenti (figura 3d). Nella successiva fase 114, il liquido pre-polimerico viene polimerìzzato in situ formando un relativo strato 24 (figura 3e), ad esempio per cottura a temperatura di 140°C e 15 minuti, secondo processi di replica molding standard. Nella successiva fase 116 lo stampo polimerico viene staccato via dalla matrice così da ottenere uno strato polimerico configurato 25 con la forma in negativo dello strato di matrice 22 (figura 3f).

In alternativa ai passi 112-116 può essere impiegato un procedimento di nano-imprinting o hotembossing .

In una fase 118 un substrato polimerico 28 è inserito in un'apparecchiatura di stampo, direttamente in contatto con uno strato inferiore di riscaldamento 26 e con lo strato 22, quindi riscaldato ad una temperatura superiore alla temperatura di transizione vetrosa Tgdel polìmero (figura 3g).

In una successiva fase 120 lo strato 22, impiegando uno strato riscaldatore superiore 27, è premuto contro il substrato polimerico 28 trasferendovi in negativo la propria configurazione (figura 3h). Trascorso un predeterminato intervallo di tempo di contatto tra gli strati 22 e 28, al passo 122 il preparato è raffreddato ad una temperatura inferiore a Tg, quindi la matrice è separata dal substrato polimerico. Ne risulta uno strato polimerico configurato 30 riportante la forma in negativo della matrice, come mostrato in figura 3ì.

Vi sono categorie di polimeri (ad esempio, polimeri termoplastici) che possono essere modellati utilizzando ambo le tecniche di replica moldìng (passi 112-116) e nano-imprinting (passi 118-122), e categorie di polimeri (ad esempio, elastomeri) che possono essere modellati solo utilizzando la tecnica di replica molding.

Successivamente, in una fase 124 il dispositivo è assemblato per sovrapposizione dello strato strutturato 25 o 30 recante la rete di canali predeterminata su un substrato piezoelettrico 31, predisponendo una sigillatura reversibile o irreversibile.

Poiché singoli trasduttori interdigitati possono essere impiegati come pompa e come valvola, possono essere sfruttate differenti geometrie con successo per realizzare cosiddetti "lab-on-chip" portatili e compatti.

In figura 4a e 4b è mostrato un esempio di un dispositivo prototipo comprendente sei trasduttori Ti,-Tsdepositati sul substrato piezoelettrico 31 per il controllo del moto di uno o più elementi di fluidi entro una complessa rete di micro o nanocanalì definita nello strato strutturato 30. I trasduttori sono collegati ad un circuito elettronico di controllo P, ad esempio una unità a microprocessore, predisposto per la loro attivazione selettiva e la regolazione dell'energia di propagazione delle SAW, in funzione dell'applicazione desiderata.

Questa configurazione consente diverse operazioni , quali miscelazione di fluidi all'incrocio tra i canali o divisione di una quantità di fluido per simultanea attivazione dei trasduttori associati a differenti canali quando un elemento di liquido si trova alla regione di intersezione dei suddetti canali. Possono essere aggiunte anche microcamere in qualità di camere di reazione o camere di raccolta di prodotti reagenti.

La disposizione di figura 4a, 4b discende da un accurato allineamento delle superiici di substrato per il sopporto di elementi attivi (trasduttori, in qualità di pompe o valvole) e lo strato strutturato che definisce i micro e nanocanali ed eventuali serbatoi. Tale allineamento può ad esempio essere realizzato con l'ausilio di microscopi o di strumenti specifici per l'allineamento di due superficì {ad esempio, mask-aligner).

Materiali elastomerici sono adatti per generare stampi polimerici che incorporano micro o nanocanali ed assicurano con un elevato grado di affidabilità un buon contatto conforme con differenti superfici, e quindi una buona sigillatura dei dispositivi assemblati. Altri materiali polimerici possono essere utilizzati per formare il substrato 31, purché sia ottenibile una buona sigillatura attraverso tecniche di unione superficiale, termica, ottica o chimica tra lo strato 31 ed il substrato 30. Tale procedimento di unione può essere reversibile se è impiegato uno stampo di materiali elastomerici, o irreversibile se fondato su trattamenti chimici, ottici o termici.

Per ottenere un'affidabile unione tra gli strati suddetti e preservare le caratteristiche dei trasduttori può essere necessario depositare sottili pellicole di materiali polimerici o ceramici sul substrato piezoelettrico.

Nella struttura illustrata in figura 4a, 4b elemento di fluido quali gocce o simili possono essere controllati con accuratezza e trascinati da uno o più ingressi IN ad una o più uscite OUT lungo i micro o nanocanali C. Come meglio indicato in figura 4c, il moto di un elemento di fluido avviene nella direzione indicata dalla freccia F ed è controllato da un<1>onda acustica superficiale SAW che si propaga in direzione opposta, generata da un trasduttore interdigitato T disposto in prossimità dell'uscita di canale OUT.

Specificamente, il processo di percorrenza dei canali può essere interrotto con immediatezza interrompendo l'alimentazione a radiofrequenza di uno o più corrispondenti trasduttori associati alla generazione delle onde acustiche superficiali, e la velocità di percorrenza dei canali può essere accordata modificando l'energia del segnale applicato ai trasduttori.

Ad esempio, la realizzazione di un trasduttore interdigitato formato da 20 coppie di elettrodi con periodicità 24 micron ed apertura di 500 micron, depositato su un substrato di niobato di lìtio, può trascinare una goccia d'acqua in 1,3 secondi entro un microcanale realizzato in PDMS di larghezza 500 micron, altezza 50 micron e lunghezza 1 mm, con una moderata energia fornita al trasduttore (20 dBM). Una goccia dì acqua può essere completamente trascinata dall'ingresso IN all'uscita OUT del microcanale C in due secondi. Inoltre, il moto del fluido può essere rapidamente arrestato "spegnendo" l'onda acustica superficiale.

Vantaggiosamente, i trasduttori interdigitati possono essere utilizzati anche per localizzare la posizione di un elemento di fluido mediante tecniche note di analisi dei segnali di eco della SAW.

La metodologia descritta offre dunque una procedura immediata e efficiente per realizzare dispositivi micro e nanofluidicì con elementi di pompa e valvola attivi integrati, così migliorando le prestazioni dei dispositivi per le loro applicazioni industriali .

Convenientemente, i micro o nanocanali possono essere fabbricati con differenti materiali per ottenere strutture di canali monolitiche o ibride, ad esempio realizzate in materiali ceramici, vetrosi, a base di semiconduttori organici o inorganici o materiali polimerici.

Un dispositivo come rappresentato in figura 4b può essere utilizzato come dispositivo erogatore per controllare il volume di fluidi all'uscita o all<1>ingresso di micro o nanocanali o per trascinare una goccia di fluido dall'ingresso all'uscita di uno o più micro o nanocanali. Ciò permette il trasporto rapido di un piccolo volume di fluido (da qualche millilitro a pochi picolitri) in differenti regioni di un chip attraverso il percorso di uno o più micro o nanocanali, collegati oppure no in una rete.

Il fluido può essere un liquido, un polimero fuso o una soluzione polimerica, una soluzione contenente nanoparticelle, molecole organiche, inorganiche o loro miscele, una soluzione contenente molecole biologiche, un gas.

Un dispositivo microstrutturato quale quello oggetto dell’invenzione può essere utilizzato per il controllo di reazioni biochimiche, reazioni genomiche e proteomiche e sistemi di analisi complessi, ad esempio per applicazioni chimiche o biochimiche in cui devono essere utilizzati materiali resistenti a solventi, acidi e/o basi, resistenti al calore o chimicamente inerti. Inoltre, può essere utilizzato per applicazioni biologiche in cui sono necessari materiali che presentino una specifica permeabilità a gas o materiali che impediscono l'adsorbimento di molecole e il loro unfolding alle superfici .

Ulteriori applicazioni prevedibili sono applicazioni optofluidiche, ivi incluse le realizzazioni di dispositivi laser, dispositivi emettitori di luce LED, polarizzatori, filtri e guide d'onda.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo del moto di fluidi in una struttura di canali micro- o nano-fluidici, comprendente : un volume strutturato di materiale (30), recante una configurazione predeterminata di canali micro- o nano-fluidici (C) per il contenimento ed il trasferimento di quantità di fluidi, atta a definire almeno un ingresso per fluido (IN) ed almeno una uscita per fluido (OUT); ed un substrato (31) di materiale con proprietà piezoelettriche, accoppiato a detta configurazione di canali micro- o nano-fluidici (C), recante mezzi di controllo attivo del moto di una quantità di fluido includenti mezzi trasduttori (Tn-Tg) che comprendono almeno una coppia di elettrodi interdigitati applicati su detto substrato (31), i quali sono predisposti per generare selettivamente una onda acustica superficiale atta a propagarsi sul substrato (31) ed interagire con detta quantità di fluido; caratterizzato dal fatto che detti mezzi trasduttori (Ti-T6) sono disposti in prossimità di una uscita per fluido (OUT) di detta configurazione di canali (C) in modo tale da generare un'onda acusti ca superficiale che si propaga dall’uscita (OUT) ad un ingresso per fluido (IN) della configurazione ed è atta a determinare un gradiente di pressione lungo almeno un tratto di canale (C) in cui è localizzata detta quantità di fluido, per cui è indotto il moto di detta quantità di fluido in direzione opposta alla direzione di propagazione dell'onda acustica superficiale.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi trasduttori (Ti-T6) sono predisposti per generare onde acustiche superficiali aventi lunghezza d'onda di propagazione inferiore alla dimensione caratteristica del canale per fluido (C).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detti-mezzi trasduttori (Tj-Tg) sono disposti in prossimità di detta uscita per fluido (OUT) orientati in modo tale da presentare elettrodi interdigitati intercalati che si estendono ortogonalmente alla direzione di sviluppo delle pareti di definizione dei canali (C).
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, comprendente un circuito elettronico di controllo (P) di detti mezzi trasduttori {Tj-Te), predisposto per la attivazione selettiva di una pluralità di dispositivi trasduttori (Ti-Ts) associati a canali {C} differenti, in modo tale da controllare separatamente l'eccitazione di onde acustiche superficiali per indurre il moto di quantità di fluido nei differenti canali (C).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto circuito elettronico di controllo (P) è predisposto per indurre il moto di quantità dì fluido in canali (C) confluenti, per determinare la miscelazione di fluidi nella regione di intersezione dei canali (C).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto circuito elettronico di controllo {P) è predisposto per indurre il moto di quantità di fluido in canali (C) separantesi per la divisione di una quantità di fluido dalla regione di intersezione dei canali (C).
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto circuito elettronico di controllo (P) è predisposto per indurre il moto di quantità dì fluido da camere di raccolta di reagenti e/o verso camere dì reazione, ricavate in detto volume strutturato di materiale (30).
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, comprendente un circuito elettronico di controllo (P) dì detti mezzi trasduttori (Τι-Τ6), predisposto per la regolazione dell'intensità del segnale elettrico agli elettrodi, in modo tale da controllare la potenza delle onde acustiche superficiali eccitate e regolare la velocità di percorrenza del canale (C) da parte della quantità di fluido.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 o 8, in cui detto circuito elettronico di controllo (P) è predisposto per localizzare la posizione di un elemento di fluido entro un canale {C) mediante tecniche di analisi dei segnali di eco di un onda acustica superficiale.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti canali (C) sono configurati in un volume (30) di materiale idrofobico.
11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto volume strutturato (30) recante i canali {C) è fabbricabile utilizzando tecniche di replica molding applicate ad un materiale polimerico.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detto materiale è polidimetilsilossano (PDMS).
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, in cui detto volume strutturato (30) recante i canali (C) è fabbricabile utilizzando tecniche di nano-imprinting o hot-embossing applicate ad un materiale polimerico.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 11 o 13, in cui la superficie del substrato piezoelettrico (31) è rivestita con una sottile pellicola di materiale inerte, avente uno spessore sensibilmente inferiore alla lunghezza dell'onda acustica superficiale, atto a costituire uno strato di base appropriato per impieghi biologici o biochimici.
15. 15. Chip comprendente un dispositivo di controllo del moto di fluidi in una struttura di canali {C) micro- o nano-fluidici, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14.