ITTO20110900A1 - Controllo automatico passivo del posizionamento di liquidi in chip microfluidici - Google Patents

Description

"Controllo automatico passivo del posizionamento di liquidi in chip microfluidici"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo del moto di fluidi, comprendente

- un supporto, e

- mezzi di controllo del moto di una quantità di fluido disposta a contatto con detto supporto, detti mezzi di controllo includendo almeno un generatore di onde acustiche superficiali applicato su detto supporto, il quale à ̈ predisposto per generare selettivamente un’onda acustica superficiale atta a propagarsi sul supporto e ad interagire con detta quantità di fluido.

Un dispositivo di questo tipo à ̈ descritto ad esempio nella pubblicazione WO 2009/013705 della stessa Richiedente, ed à ̈ particolarmente destinato alla realizzazione dei cosiddetti “Lab-on-a-Chip†(nel seguito, LOC), sistemi miniaturizzati di diagnostica ed analisi che costituiranno prevedibilmente la prossima generazione di apparecchi per la medicina ed altri settori (ad es. monitoraggio ambientale od analisi alimentare).

Alla base di tali sistemi vi à ̈ il trattamento dei liquidi; occorre infatti garantire l’alimentazione, la movimentazione e la localizzazione precisa di volumi di liquido molto piccoli (anche dell’ordine del pl). Attualmente, la localizzazione à ̈ affidata a metodi attivi, basati principalmente sulla visualizzazione in tempo reale del flusso di liquido o sulla misurazione di specifiche proprietà elettriche del dispositivo. Tali tecniche sono tipicamente costose e scarsamente integrabili e sono basate su elementi o strumenti elettronici attivi.

È possibile distinguere due classi di dispositivi microfluidici: una comporta l’uso di un flusso continuo in microcanali, mentre l’altra sfrutta l’uso di gocce di piccole dimensioni (microfluidica digitale). Nell’ambito di quest’ultima sono state sviluppate principalmente tre tecniche di movimentazione controllabile, basate su electrowetting (EW), termocapillarità ed onde acustiche superficiali (SAW). I sistemi EW e termocapillari richiedono che l’intera area fluidica (FA) sia provvista di elettrodi metallici o microriscaldatori, che devono essere attivati per la movimentazione delle gocce. Diversamente, la tecnologia SAW à ̈ basata su onde acustiche superficiali stazionarie o viaggianti eccitate da microdispositivi integrati nel chip ma disposti al di fuori della FA. Altri vantaggi della fluidica SAW risiedono nel funzionamento a bassa temperatura ed a bassa tensione, e nell’assenza di vincoli sulla polarità del fluido.

Secondo una diffusa tecnica SAW, le onde acustiche superficiali sono generate lungo la superficie di un supporto (substrato di materiale piezoelettrico o substrato provvisto di un film di materiale piezoelettrico) per mezzo di trasduttori metallici interdigitati (IDT). I trasduttori 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. La geometria del trasduttore e le proprietà del supporto determinano la frequenza di risonanza per l'eccitazione della SAW. Nella configurazione tradizionale di propagazione di SAW su un supporto 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 à ̈ accoppiato.

L'onda acustica à ̈ generata alla superficie libera del supporto piezoelettrico con proprietà elastiche per applicazione di un segnale elettrico agli elettrodi metallici del trasduttore. Quando à ̈ applicata un segnale elettrico di frequenza opportuna tra gli elettrodi del trasduttore, la proprietà di piezoelettricità del supporto permette la conversione del segnale elettrico in una deformazione del reticolo del materiale di supporto, per cui si genera una deformazione periodica della superficie libera del supporto sotto al trasduttore, in grado di eccitare onde acustiche superficiali che si propagano all’interfaccia supporto-aria o supporto-strato sovrastante.

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.

Un’altra tecnica basata sulla trasduzione di un segnale elettrico in vibrazioni acustiche prevede la generazione di SAW su un materiale non piezoelettrico accoppiato ad un materiale piezoelettrico. In questo caso un substrato piezoelettrico à ̈ bondato al lato di uno strato non piezoelettrico e sul substrato piezoelettrico vengono generate onde acustiche bulk (BAW) che si accoppiano ad onde acustiche di superficie nel mezzo non piezoelettrico [1].

Sono anche state sviluppate tecniche per la generazione ottica di onde acustiche di superficie su substrati non piezoelettrici. Storicamente la prima tecnica di fotogenerazione di onde acustiche di superficie prevede la focalizzazione di un impulso laser ultracorto sulla superficie del substrato. L'energia dell'impulso viene assorbita dal substrato che quindi si riscalda nell'area illuminata fino alla profondità di penetrazione della luce laser nel substrato. Tale riscaldamento provoca una deformazione del reticolo cristallino del substrato per espansione termica generando un pacchetto di onde acustiche di superficie e onde acustiche longitudinali [2, 3]. A potenze particolarmente intense si passa da questo regime detto termoelastico al regime di ablazione in cui ioni e elettroni della superficie del substrato vengono portati allo stato di plasma ed estratti dalla superficie, e l'impulso di momento risultante genera per compressione le onde acustiche nel substrato [2, 3]. La tecnica nel regime termoelastico à ̈ stata poi successivamente raffinata utilizzando transient grating [4] e cristalli fononici di superficie [5]. Nel caso di generazione per transient grating sul substrato l'impulso laser arriva formando un pattern a strisce periodico, e il riscaldamento periodico del substrato induce una deformazione periodica del substrato inducendo quindi la propagazione di onde acustiche di superficie con lunghezza d'onda pari alla periodicità del pattern d'illuminazione [4, 5]. Tali pattern possono essere generati o utilizzando reticoli di diffrazione creati modulando periodicamente lo spessore di un substrato trasparente [4] o facendo interferire due fasci laser [5]. La tecnica che al momento consente di generare onde acustiche di superficie a maggior frequenza prevede il patterning del substrato con un reticolo di micro-nanostrutture (cristallo fononico di superficie) metalliche [6]; quando l'impulso laser arriva sulla superficie del campione l'energia dell'impulso viene assorbita dalle nanostrutture che vengono riscaldate e dilatandosi generano una deformazione periodica del substrato generando ancora onde acustiche di superficie a quella frequenza. Per eccitare particolari modi di superficie à ̈ possibile utilizzare la tecnica di transient grating su un substrato nanopatternato con un cristallo fononico di superficie [7].

A prescindere dalla tecnica utilizzata per la generazione delle SAW, per lo sviluppo di lab-on-achip digitali automatizzati e programmabili à ̈ necessario che le microgocce siano movimentate e localizzate senza il controllo diretto dell’operatore. A conoscenza degli inventori sono state finora presentate tre differenti tecniche per movimentare e rilevare la posizione di microgocce su una piattaforma microfluidica basata su SAW.

La prima tecnica prevede una pluralità di linee di ritardo SAW definenti l’area fluidica [8]. Un set di linee di ritardo in parallelo à ̈ utilizzato per movimentare la goccia, mentre un secondo set, perpendicolare al primo, à ̈ utilizzato come localizzatore della goccia. La posizione della goccia à ̈ determinata misurando le matrici di trasferimento delle linee di ritardo: la presenza della goccia porta ad una variazione del parametro di trasmissione (S12od S21).

La seconda tecnica prevede l’uso di due linee di ritardo SAW basate su trasduttori interdigitati (IDT) “slanted†a banda larga [9]. Il principio operativo risiede ancora nella misurazione della modifica delle matrici di diffusione delle linee di ritardo causata dalla presenza della goccia del liquido.

La terza tecnica di localizzazione à ̈ basata sulle eco SAW [10, 11]: la movimentazione e la misurazione della posizione della goccia à ̈ ottenuta con lo stesso IDT. In tali chip, successivamente all’impulso a radiofrequenza ad alta potenza che movimenta la goccia si applica un secondo impulso di localizzazione a radiofrequenza a bassa potenza. La misurazione del ritardo del segnale di eco determina la posizione della goccia.

Uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un dispositivo microfluidico basato su onde acustiche superficiali, il quale permetta una precisa localizzazione dei liquidi senza l’uso di alcun microdispositivo o strumento elettronico attivo dedicato, e che permetta pertanto la realizzazione di chip maggiormente integrabili.

In vista di tale scopo, costituisce oggetto dell’invenzione un dispositivo del tipo definito all’inizio, in cui detti mezzi di controllo comprendono inoltre mezzi risonatori acustici posti sul percorso di detta onda acustica superficiale, detti mezzi risonatori acustici essendo atti a consentire normalmente la trasmissione dell’onda acustica superficiale avente una frequenza pari ad una frequenza di risonanza di detti mezzi risonatori acustici, ed a riflettere detta onda acustica superficiale quando detta quantità di fluido à ̈ presente all’interno di detti mezzi risonatori acustici.

Forma inoltre oggetto dell’invenzione un metodo di controllo del moto di fluidi, comprendente i passi seguenti:

- predisporre un supporto,

- disporre una quantità di fluido a contatto con detto supporto, e

- generare un’onda acustica superficiale atta a propagarsi sul supporto e ad interagire con detta quantità di fluido;

in cui mezzi risonatori acustici sono posti sul percorso di detta onda acustica superficiale, detti mezzi risonatori acustici essendo atti a consentire normalmente la trasmissione dell’onda acustica superficiale avente una frequenza pari ad una frequenza di risonanza di detti mezzi risonatori acustici, ed a riflettere detta onda acustica superficiale quando detta quantità di fluido à ̈ presente all’interno di detti mezzi risonatori acustici.

Rispetto alla soluzione proposta nei riferimenti [10] e [11], la presente invenzione non richiede l’uso di segnali pulsati a radiofrequenza o la commutazione dello stesso trasduttore (IDT) da una configurazione di pompaggio ad una configurazione di rilevamento, che comporta l’arresto del movimento del liquido.

Rispetto alla tecnica presentata in [9], la presente invenzione à ̈ in grado di lavorare anche ad una singola frequenza (semplificando la circuiteria), e può operare anche con IDT uniformi, che nell’eccitazione delle SAW sono più efficienti degli IDT “slanted†.

Inoltre, l’invenzione non richiede lo sviluppo di un preciso modello per il profilo spaziale dell’ampiezza acustica, che in [9] à ̈ necessario per determinare la posizione della microgoccia. Differentemente dal dispositivo descritto nel riferimento [8], la presente invenzione non richiede la fabbricazione di più trasduttori (IDT), semplificando la circuiteria e la costruzione del dispositivo. Risulta migliorata anche la precisione di localizzazione, dal momento che il dispositivo del riferimento [8] non può rilevare gocce che sono posizionate in regioni fra due differenti linee di ritardo.

Infine, il dispositivo secondo l’invenzione à ̈ compatibile con l’uso di microcanali standard in polidimetilsilossano (PDMS).

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo secondo l'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- le figure 1 e 2 sono rappresentazioni schematiche che illustrano il principio operativo del dispositivo secondo l’invenzione;

- la figura 3 Ã ̈ una rappresentazione schematica di un dispositivo prototipale con i dettagli geometrici utilizzati per una simulazione numerica;

- la figura 4 à ̈ un grafico che riporta la densità di energia elettromeccanica calcolata all’estremità di una linea di ritardo del dispositivo di figura 3, in funzione della frequenza del segnale di eccitazione SAW;

- le figure 5 e 6 sono grafici che riportano la distribuzione bidimensionale della densità di energia elettromeccanica calcolata nel dispositivo di figura 3, alla frequenza di eccitazione SAW, rispettivamente senza e con materiale assorbente nella cavità risonante;

- la figura 7 Ã ̈ una rappresentazione schematica di un dispositivo prototipale realizzato sperimentalmente, con i relativi dati geometrici;

- la figura 8 à ̈ un grafico che riporta la trasmissività della linea di ritardo del dispositivo di figura 7, in funzione della frequenza del segnale di eccitazione SAW;

- la figura 9 riporta una sequenza di fotografie che mostrano l’evoluzione temporale di una goccia che si muove sul dispositivo di figura 7; e

- le figure 10 a 14 rappresentano schemi di esempi di dispositivi logici e sistemi di trattamento di microgocce realizzabili con il dispositivo secondo l’invenzione.

Con riferimento alle figure, un dispositivo per il controllo del moto di fluidi comprende essenzialmente

- un substrato o supporto 10 (mostrato ad esempio in figura 3) di materiale con proprietà piezoelettriche, e

- mezzi di controllo del moto di una quantità di fluido disposta a contatto con il supporto 10, detti mezzi di controllo includendo uno o più trasduttori interdigitati T1- T7(mostrati nelle figure 1, 2, 7 e 10-14) applicati su detto supporto 10, i quali sono predisposti per generare selettivamente e/o rilevare un’onda acustica superficiale atta a propagarsi sul supporto 10 e ad interagire con detta quantità di fluido.

Sebbene nella presente descrizione si faccia riferimento esclusivamente ai trasduttori interdigitati, che per la loro semplicità costruttiva possono prestarsi ottimamente alla realizzazione di chip fluidici a livello industriale, l’invenzione non à ̈ limitata alle specifiche modalità con cui sono generate e rilevate le onde acustiche superficiali. In alternativa agli IDT, potrebbero essere presenti generatori e rilevatori di onde acustiche superficiali basati su tecniche differenti, quali ad esempio quelle descritte nella parte iniziale della presente descrizione.

Di conseguenza, a seconda della tecnica utilizzata per la generazione ed il rilevamento delle onde acustiche superficiali, invece del substrato (supporto) di materiale piezoelettrico si può adottare un supporto comprendente un substrato non piezoelettrico con un film piezoelettrico, un supporto comprendente un substrato piezoelettrico accoppiato ad uno strato non piezoelettrico, od anche un supporto privo di materiale piezoelettrico.

La quantità di fluido sopra menzionata può consistere di una o più micro gocce di liquido depositate sulla superficie del supporto 10, o di quantità di liquido transitanti in micro- o nano-canali. In questo secondo caso il dispositivo secondo l’invenzione comprende inoltre un volume strutturato di materiale 20 (mostrato nelle figure 2a e 2b) accoppiato al supporto 10 e recante una configurazione predeterminata di canali micro- o nanofluidici C (mostrata nelle figure nelle figure 2a e 2b) per il contenimento ed il trasferimento di quantità di fluidi.

Secondo l’invenzione, i mezzi di controllo del moto del fluido comprendono inoltre mezzi risonatori acustici posti sul percorso di detta onda acustica superficiale, detti mezzi risonatori acustici essendo atti a consentire normalmente la trasmissione dell’onda acustica superficiale avente una frequenza pari ad una frequenza di risonanza dei mezzi risonatori acustici, ed a riflettere detta onda acustica superficiale quando detta quantità di fluido à ̈ presente all’interno di detti mezzi risonatori acustici.

A titolo esemplificativo, i mezzi risonatori acustici suddetti comprendono una cavità di risonanza 30 posta fra una coppia di riflettori o specchi acustici 31a, 31b (mostrati ad esempio nelle figure 1 e 2) disposti consecutivamente l’uno rispetto all’altro nella direzione di propagazione dell’onda acustica superficiale. Nel caso in cui al supporto 10 sia accoppiata una configurazione di canali micro- o nano-fluidici C, i mezzi risonatori sono disposti in corrispondenza di un tratto di canale della configurazione di canali micro- o nanofluidici C.

Le forme di realizzazione delle figure 1 e 2 si basano sulla proprietà delle cavità composte da due specchi altamente riflettenti (specchi di Bragg), analogamente ai risonatori Fabry-Perot in ottica, di avere nette linee di trasmissione in corrispondenza di frequenze risonanti prestabilite. Nel caso delle onde acustiche superficiali gli specchi possono essere realizzati con diverse tecniche e differenti geometrie. Ad esempio, un approccio semplice consiste nell’evaporare sul supporto 10 un determinato numero di strisce metalliche disposte perpendicolarmente alla direzione di propagazione delle onde acustiche superficiali (nel seguito indicate anche come SAW), con periodicità pari a metà della lunghezza d’onda delle SAW. In questo caso, la riflettività dello specchio dipende in prima approssimazione dal numero di strisce metalliche che lo compongono, dal metallo utilizzato e dal suo spessore. In alternativa alle strisce metalliche, specchi di Bragg possono anche essere realizzati tramite etching del substrato con una periodicità pari a metà della lunghezza d'onda dell'onda acustica di superficie che si vuole riflettere.

In alternativa alla coppia di specchi di Bragg separati da un’area priva di pattern, per realizzare i mezzi risonatori acustici possono essere impiegate altre strutture. Recentemente grande interesse à ̈ stato rivolto all'uso di cristalli fononici [12, 13, 14], che consistono in sistemi periodici di due o più materiali con proprietà elastiche differenti. È stato dimostrato che tali strutture, opportunamente ingegnerizzate, presentano una regione di frequenze in cui non sono ammessi automodi di superficie del sistema (band gap), che costituiscono quindi regioni spettrali in cui il sistema può agire da riflettore, anche in regioni in cui non hanno luogo riflessioni di Bragg [15]. Opportune finestre di trasmissione di SAW si possono realizzare in tali strutture mediante difetti, non solo tramite gap, nella struttura periodica delle cavità e delle guide d'onda [14]. Cavità fononiche possono anche essere realizzate costruendo guide d'onda a geometria chiusa, come nel caso dei risonatori ad anello [16, 17].

Al di là della specifica struttura dei mezzi risonatori, il principio operativo della presente invenzione à ̈ sostanzialmente lo stesso.

In condizioni di risonanza, le SAW sono completamente trasmesse attraverso la cavità. Se un materiale assorbente à ̈ presente nella cavità, essa agisce come uno specchio quasi perfettamente riflettente, riflettendo indietro le SAW. È importante notare in questa sede che la riflessione avviene con perdite minime di energia delle SAW; per esempio, nel caso di cavità basate su due specchi semiriflettenti, in presenza di un assorbitore perfetto all’interno della cavità risonante le perdite sono proporzionali alla trasmissività dello specchio di ingresso, che in principio può essere resa arbitrariamente bassa.

Poiché i liquidi sono assorbitori molto efficaci per le SAW, tale schema permette di instradare le SAW su zone differenti di un chip, e quindi su differenti campioni di liquido eventualmente presenti nel chip, a seconda della presenza o meno di liquido nelle cavità di risonanza.

Le figure 1 e 2 mostrano schematicamente il principio di funzionamento dell’invenzione nel caso di un chip microfluidico digitale (figure 1a ed 1b) e nel caso di un chip basato su microcanali (figure 2a e 2b). Le frecce grigie nelle figure 1 e 2 rappresentano schematicamente il percorso delle SAW. Alla frequenza di risonanza della cavità 30 la SAW generata dal trasduttore T1à ̈ completamente trasmessa in avanti (figure 1a e 2a). Quando una goccia D od una quantità di liquido L che riempie un canale raggiunge la cavità di risonanza, la SAW generata dal trasduttore interdigitato T1viene riflessa indietro verso il trasduttore T1stesso (figure 1b e 2b). Il segnale elettrico a radiofrequenza generato dalla riflessione della SAW in T1può essere così instradato su un differente trasduttore interdigitato per mezzo di un accoppiatore direzionale on-chip od off-chip, per guidare il liquido in una differente direzione o per trattare un diffe rente campione di liquido. Esempi di architetture possibili verranno illustrati nel seguito.

Per provare il principio operativo della presente invenzione sono state effettuate simulazioni numeriche e prove sperimentali.

Un dispositivo prototipale à ̈ stato modellizzato per mezzo di un metodo agli elementi finiti bidimensionale che permettesse di simulare le SAW in propagazione lungo la direzione X di una piastra di LiNbO3di taglio 128Y-X, che attualmente à ̈ il materiale di elezione per la microfluidica basata su SAW. Sul percorso della SAW à ̈ stata realizzata una cavità acustica del tipo Fabry-Perot con una coppia di specchi distribuiti, ciascuno consistente di 15 coppie di strisce vuoto/pieno (più precisamente, si tratta di 15 coppie di strisce spaziate di una distanza pari alla lunghezza d’onda λSAWdell’onda acustica superficiale, ossia una struttura di 30 strisce poste a periodicità λSAW/2). L’eccitazione delle SAW à ̈ stata modellizzata imponendo una tensione alternata con la corretta periodicità spaziale sulla superficie della piastra. I dettagli geometrici della simulazione sono riportati in figura 3.

La figura 4 rappresenta gli spettri calcolati per la linea di ritardo con cavità (linea a tratti) e senza cavità (linea continua). Tale grafico à ̈ ottenuto riportando la densità di energia elettromeccanica alla fine della linea di ritardo (si veda anche la figura 5) in funzione della frequenza del segnale di eccitazione delle SAW.

La figura 5 rappresenta la distribuzione bidimensionale nella piastra della densità di energia elettromeccanica calcolata alla frequenza di eccitazione delle SAW pari ad f2.

Come si può osservare, per il materiale e la geometria scelti la cavità supporta tre modi acustici superficiali e, alla frequenza di risonanza (f1=91,14 MHz, f2=95,52 MHz, f3=100,26 MHz), la densità di energia elettromeccanica à ̈ principalmente confinata nella regione di spazio fra gli specchi ed entro una lunghezza d’onda dalla superficie della piastra.

Inoltre, per il picco centrale della cavità (f2), la trasmittanza della cavità, calcolata come rapporto fra la potenza uscente dal secondo specchio (a destra nella figura 5) e la potenza uscente dalla regione di eccitazione SAW, à ̈ pari a 0,48.

La situazione in cui un materiale assorbente à ̈ presente nella cavità à ̈ stata modellizzata includendo fra gli specchi una semisfera con le proprietà elettromeccaniche dell’acqua. La figura 6 rappresenta la distribuzione bidimensionale nella piastra della densità di energia elettromeccanica calcolata alla frequenza di eccitazione delle SAW pari ad f2,con il materiale assorbente nello spazio interno della cavità. Si rimarca il fatto che, anche se non accurato nel descrivere l’interazione SAW-liquido, l’approccio suddetto à ̈ sufficiente ai fini della presente analisi, poiché i risultati della simulazione non dipendono dai dettagli del meccanismo di assorbimento. In tale situazione la cavità agisce come uno specchio quasi perfetto e, in condizioni di risonanza, la densità di energia elettromeccanica à ̈ principalmente confinata fra la regione di eccitazione SAW ed il primo specchio (a sinistra nella figura 6). Poiché la densità di energia elettromeccanica à ̈ quasi uguale a zero all’interno della cavità, si rimarca ancora il fatto che vi à ̈ un’interazione SAW-liquido praticamente trascurabile.

Sono stati poi realizzati diversi prototipi su un supporto di LiNbO3di taglio 128Y-X. Trasduttori interdigitati di alluminio (periodicità 40 µm, duty cycle 50%, 10 periodi) sono stati depositati sul supporto per formare linee di ritardo SAW. Nella stessa fase di lavorazione à ̈ stata fabbricata una cavità acustica all’interno di ciascuna linea di ritardo. Le cavità consistono di una coppia di specchi, formato ciascuno da una serie di strisce di Al (periodicità 20 µm, duty cycle 50%, 25 periodi). I dettagli geometrici di uno dei dispositivi prototipali, comprendente un trasduttore interdigitato T1per generare le SAW ed un trasduttore interdigitato T2per rilevare la potenza trasmessa attraverso la linea di ritardo e la cavità, sono riportati in figura 7.

La curva caratteristica della trasmittanza della linea di ritardo di figura 7, in funzione della frequenza del segnale di eccitazione delle SAW, à ̈ riportata in figura 8; come si può osservare, vi à ̈ un modo di risonanza della cavità ad elevata trasmissività. L’intervallo di frequenze compreso fra le frecce verso l’alto in figura 8 corrisponde alla banda di reiezione dello specchio. Ciò à ̈ dimostrato dalla presenza dei due minimi di trasmittanza corrispondenti ad una SAW parzialmente riflessa. Fra i due minimi à ̈ presente un picco di trasmittanza (indicato dalla freccia verso il basso), corrispondente alla frequenza di risonanza della cavità. A tale frequenza (fres=97,85 MHz) nella cavità si produce un modo risonante che comporta una elevata trasmissività attraverso la cavità. A fini di fluidica SAW, il dispositivo viene fatto funzionare alla frequenza di risonanza della cavità.

Il dispositivo prototipale à ̈ in grado di posizionare una goccia d’acqua all’interno dello spazio della cavità. Lo schema operativo à ̈ il seguente: - si deposita una goccia d’acqua fra il trasduttore interdigitato generatore ed il primo specchio della cavità;

- si attiva il trasduttore suddetto alla frequenza di risonanza.

La figura 8 riporta una sequenza temporale di fotografie che mostra l’evoluzione della goccia su un prototipo del dispositivo secondo l’invenzione, sotto l’effetto di una SAW propagantesi da sinistra verso destra nelle fotografie.

Si à ̈ osservato che:

- la goccia viene spinta dalla SAW oltre il primo specchio nella cavità;

- la goccia rimane ferma nella cavità senza alcun ulteriore moto significativo e senza alcun effetto di evaporazione dovuto al trasferimento di potenza dalla SAW.

Quando si à ̈ ripetuto l’esperimento a frequenze al di fuori dell’intervallo di lavoro dello specchio, la goccia à ̈ stata spinta oltre la cavità, poiché fuori risonanza la cavità non à ̈ efficace.

La presente invenzione propone pertanto un dispositivo che può essere fabbricato su chip microfluidici in grado di guidare onde acustiche superficiali in modo passivo e con perdite minime a seconda della posizione dei fluidi sul chip. Il dispositivo descritto può quindi assumere funzione analoga a quella di una porta logica di un microchip elettronico, permettendo di guidare più fluidi, quali gocce depositate su una superficie del dispositivo o liquidi presenti in canali microfluidici, in specifiche posizioni senza la necessità di un controllo o feedback esterno. Lo stesso compito microfluidico complesso può essere così assolto in modo ripetitivo senza la necessità di una supervisione esterna.

A tal proposito, con riferimento alle figure 10 a 14 si descrivono ora a titolo illustrativo alcuni possibili esempi di blocchi logici di base ed applicazioni realizzabili con la presente invenzione.

L’esempio di figura 10 rappresenta una porta NOT/identità. Se P indica la presenza (P = 1) o l’assenza (P = 0) di una goccia all’interno della cavità, il segnale trasmesso T à ̈ approssimativamente uguale a “NOT P†, mentre R ≈ P, ove R à ̈ il segnale riflesso. Il segnale riflesso ed il segnale trasmesso possono essere instradati su altri trasduttori per un’ulteriore elaborazione. La tavola di verità à ̈ la seguente:

T R P

1 0 0

0 1 1

L’esempio di figura 11 rappresenta una porta NOR/OR. Se P1e P2indicano la presenza (Pi= 1) o l’assenza (Pi= 0) di due gocce all’interno della cavità, il segnale trasmesso T à ̈ approssimativamente uguale a “P1NOR P2†ed R ≈ P1OR P2. La tavola di verità à ̈ la seguente:

T R P1P2

1 0 0 0

0 1 1 0

0 1 0 1

0 1 1 1

L’esempio di figura 12 rappresenta una porta NAND/AND. Se P1e P2indicano la presenza (Pi= 1) o l’assenza (Pi= 0) di due gocce all’interno delle due cavità, il segnale trasmesso T à ̈ approssimativamente uguale a “P1NAND P2†ed R ≈ P1AND P2. Le frecce in figura 12 rappresentano il flusso del segnale elettrico in radiofrequenza. Tale segnale à ̈ instradato da due accoppiatori direzionali, che possono essere fabbricati on-chip od off-chip. La tavola di verità à ̈ la seguente:

T R P1P2

1 0 0 0

1 0 1 0

1 0 0 1

0 1 1 1

L’esempio di figura 13 rappresenta un’applicazione per il posizionamento automatico sequenziale di due gocce D1, D2nel centro del chip, ad esempio in una zona di reazione dove tali gocce possono reagire. Tale zona di reazione coincide con una cavità acustica 30 delimitata da due coppie di specchi in rispettive direzioni perpendicolari. Con 40 sono indicate le zone di deposizione delle gocce. Le frecce in figura 13 rappresentano il flusso del segnale elettrico in radiofrequenza.

Tale segnale à ̈ instradato da due accoppiatori direzionali, che possono essere fabbricati on-chip od off-chip.

Il posizionamento delle gocce avviene automaticamente dopo che l’utilizzatore ha depositato le due gocce nelle regioni di deposizione 40 ed attivato l’alimentazione in radiofrequenza. Un segnale di “processo terminato†viene generato dal trasduttore T3quando entrambe le gocce hanno raggiunto la regione di reazione chimica. Se la goccia D1à ̈ mancante, un segnale di errore viene generato dal trasduttore T2.

La sequenza operativa del sistema di figura 13 Ã ̈ la seguente:

- l’utilizzatore posiziona due gocce di reagente, D1e D2, nelle regioni di deposizione 40. Non à ̈ necessario un accurato posizionamento delle gocce nelle regioni suddette;

- si applica un segnale in radiofrequenza;

- se la goccia D1non à ̈ presente, le SAW generate dal trasduttore T1passano attraverso la cavità 30 e raggiungono il trasduttore T2, dove vengono convertite in un segnale elettrico che avverte che la goccia D1à ̈ mancante. Non vi sono ulteriori azioni; - se la goccia D1à ̈ presente, essa viene spinta dalle SAW nella cavità 30. Quando la goccia entra in tale cavità, il primo specchio della cavità orizzontale riflette le SAW indietro verso il trasduttore T1, dove vengono convertite nuovamente in segnale elettrico, il quale viene instradato, per mezzo dell’accoppiatore direzionale, al trasduttore T3;

- le SAW generate dal trasduttore T3spingono la goccia D2all’interno della cavità 30, dove incontra la goccia D1e la reazione può avvenire. Poiché la cavità verticale à ̈ in stato “assorbente†, le SAW provenienti da T3sono re-instradate verso tale trasduttore;

- infine, le SAW che raggiungono T3 sono convertite nuovamente in un segnale in radiofrequenza, che viene instradato da un altro accoppiatore direzionale su un’altra parte del chip fluidico per movimentare altre gocce, o utilizzato come segnale di “processo terminato†.

L’esempio di figura 14 rappresenta un’applicazione per il posizionamento automatico sequenziale di più gocce in aree di reazione ed estrazione della soluzione risultante. Quando tutte le gocce D1, D2, D3 sono posizionate nelle aree di reazione, vengono portate a contatto (prima D2 con D3, quindi la goccia risultante con D1). Il risultato viene infine spinto verso una regione di uscita 30’ (costituita anch’essa da una cavità acustica) per un’ulteriore elaborazione, ed un segnale di “processo terminato†viene generato dal trasduttore T7.

La sequenza operativa del sistema à ̈ la seguente:

- l’utilizzatore posiziona tre gocce di reagenti D1, D2e D3, nelle regioni di deposizione 40. Non à ̈ necessario un accurato posizionamento delle gocce in tali regioni;

- si applica un segnale in radiofrequenza;

- le SAW generate dal trasduttore T1spingono la goccia D1nella regione di reazione chimica (cavità acustica) 30 più in basso nella figura. Quando la goccia entra, il primo specchio della cavità orizzontale riflette le SAW indietro verso il trasduttore T1, ove vengono riconvertite in un segnale elettrico che viene instradato, per mezzo di un accoppiatore direzionale, al trasduttore T3;

- le SAW generate dal trasduttore T3spingono la goccia D2nella regione di reazione chimica (cavità acustica) 30 intermedia nella figura. Quando la goccia entra, il primo specchio della cavità orizzontale riflette le SAW indietro verso il trasduttore T3, ove vengono riconvertite in un segnale elettrico che viene instradato, per mezzo di un accoppiatore direzionale, al trasduttore T5;

- le SAW generate dal trasduttore T5spingono la goccia D3nella regione di reazione chimica (cavità acustica) più in alto nella figura. Quando la goccia entra, il primo specchio della cavità orizzontale riflette le SAW indietro verso il trasduttore T5, ove vengono riconvertite in un segnale elettrico che viene instradato, per mezzo di un accoppiatore direzionale, al trasduttore T7;

- a questo punto, le tre gocce sono allineate nelle tre regioni di reazione. Le SAW provenienti dal trasduttore T7spingono la goccia D3verso la goccia D2;

- quando la cavità 30 più in alto si svuota, le SAW generate dal trasduttore T5si propagano attraverso essa e raggiungono il trasduttore T7attraverso il trasduttore T6ed il combinatore di potenza superiore (anch’esso può essere on-chip od offchip). Quindi, il risultato della reazione D2-D3viene spinto verso la goccia D1;

- come nel caso precedente, quando la cavità 30 intermedia si svuota, il trasduttore T7viene ancora eccitato attraverso il trasduttore T4ed il combinatore di potenza inferiore;

- il risultato finale viene spinto dalle SAW generate dal trasduttore T7fuori dalla cavità 30 più bassa;

- quando la cavità 30 più in basso si svuota, il trasduttore T7viene ancora eccitato attraverso il trasduttore T2, e spinge la goccia risultante nella regione di uscita 30’;

- le SAW vengono riflesse dalla cavità verticale 30’ attorno alla regione di uscita indietro verso il trasduttore T7 dove viene generato un segnale di “processo terminato†attraverso un accoppiatore direzionale.

Nel caso di sistemi complessi, le perdite di inserzione e di accoppiamento possono essere compensate da amplificatori a radiofrequenza disposti, ad esempio, alle uscite degli accoppiatori direzionali.

Benché gli esempi sopra descritti siano riferiti ad applicazioni in cui il dispositivo fluidico lavora ad una singola frequenza, à ̈ possibile concepire dispositivi secondo l’invenzione che lavorino anche su più frequenze (con risonatori aventi frequenze di risonanza differenti); con più frequenze di lavoro à ̈ possibile incrementare la complessità del compito fluidico da realizzare, ad esempio si possono spostare le gocce da un risuonatore ad un altro su una stessa linea di ritardo oppure fermare una goccia e poi rimetterla in movimento.

Riferimenti bibliografici

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Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo del moto di fluidi, comprendente: - un supporto (10), e - mezzi di controllo del moto di una quantità di fluido disposta a contatto con detto supporto, detti mezzi di controllo includendo almeno un generatore di onde acustiche superficiali (T1, T3, T5, T7), il quale à ̈ predisposto per generare selettivamente un’onda acustica superficiale atta a propagarsi sul supporto (10) e ad interagire con detta quantità di fluido; caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo comprendono inoltre mezzi risonatori acustici (30) posti sul percorso di detta onda acustica superficiale, detti mezzi risonatori acustici essendo atti a consentire normalmente la trasmissione dell’onda acustica superficiale avente una frequenza pari ad una frequenza di risonanza di detti mezzi risonatori acustici, ed a riflettere detta onda acustica superficiale quando detta quantità di fluido à ̈ presente all’interno di detti mezzi risonatori acustici.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi risonatori acustici comprendono una ca vità di risonanza (30) posta fra una coppia di riflettori acustici (31a, 31b) disposti consecutivamente l’uno rispetto all’altro nella direzione di propagazione dell’onda acustica superficiale.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto supporto à ̈ costituito da un substrato di materiale con proprietà piezoelettriche o presenta un film di materiale con proprietà piezoelettriche, ed in cui detto almeno un generatore di onde acustiche superficiali à ̈ costituito da un rispettivo trasduttore interdigitato (T1, T3, T5, T7) applicato su detto supporto (10).
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un volume strutturato di materiale (20) accoppiato a detto supporto e recante una configurazione predeterminata di canali micro- o nano-fluidici (C) per il contenimento ed il trasferimento di quantità di fluidi, in cui detti mezzi risonatori acustici sono disposti in corrispondenza di un tratto di canale di detta configurazione di canali micro- o nano-fluidici.
5. 5. Metodo di controllo del moto di fluidi, comprendente i passi seguenti: - predisporre un supporto (10), - disporre una quantità di fluido a contatto con detto supporto, e - generare un’onda acustica superficiale atta a propagarsi sul supporto (10) e ad interagire con detta quantità di fluido; caratterizzato dal fatto che mezzi risonatori acustici (30) sono posti sul percorso di detta onda acustica superficiale, detti mezzi risonatori acustici essendo atti a consentire normalmente la trasmissione dell’onda acustica superficiale avente una frequenza pari ad una frequenza di risonanza di detti mezzi risonatori acustici, ed a riflettere detta onda acustica superficiale quando detta quantità di fluido à ̈ presente all’interno di detti mezzi risonatori acustici.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui si dispone inizialmente detta quantità di fluido sul percorso di detta onda acustica superficiale, a monte di detti mezzi risonatori acustici rispetto alla direzione di propagazione di detta onda acustica superficiale trasmessa in avanti; si genera detta onda acustica superficiale in modo da provocare lo spostamento in avanti di detta quantità di fluido verso detti mezzi risonatori acustici; e quando detta quantità di fluido raggiunge detti mezzi risonatori acustici, un ulteriore spostamento in avanti di detta quantità di fluido risulta impedito a causa della riflessione all’indietro dell’onda acustica superficiale da parte di detti mezzi risonatori acustici.