MX2011000940A

MX2011000940A - Bombeo, cambio y desalinizacion de fluido, electrocinetico, amplificado.

Info

Publication number: MX2011000940A
Application number: MX2011000940A
Authority: MX
Inventors: Sung Jae Kim; Jongyoon Han
Original assignee: Massachusetts Inst Technology
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-03-04
Also published as: US8834696B2; CA2731727A1; AU2009274015B2; EP2313182A4; US20110198225A1; EP2313182A1; CN102159303B; IL210817A0; JP2011528989A; CN102159303A; AU2009274015A1; KR20110033866A; CL2011000150A1; BRPI0916543A2; JP5323933B2; WO2010011760A1

Abstract

La presente invención proporciona un dispositivo y los métodos de uso del mismo para desalinizar una solución. Los métodos, entre otras cosas, hacen uso de un dispositivo que comprende microcanales, que están conectados a conductos, con lo cual la inducción de un campo eléctrico en el conducto da como resultado la formación de una capa de carga espacial dentro del microcanal. La capa de carga espacial proporciona una barrera de energía para los iones de sal, y genera una zona de agotamiento de iones próxima a la región de conexión entre el microcanal y el conducto. El método hace posible de este modo la eliminación de iones de sal de la región próxima al conducto, y su acumulación en una región distante del conducto, dentro del microcanal.

Description

BOMBEO, CAMBIO Y DESALINIZACION DE FLUIDO, ELECTROCINETICO, AMPLIFICADO Campo de la Invención La invención proporciona los métodos para acelerar el flujo de líquidos en un dispositivo microfluídico . La invención proporciona los métodos para el bombeo amplificado, para el cambio de dirección de flujo y para la desalinización directa (sin membrana) de agua de mar. Los métodos están basados en la localización eléctricamente inducida de especies cargadas en solución, que pueden provocar el aumento del flujo del fluido. Las especies cargadas, localizadas, pueden ser además separadas, aisladas y removidas de la solución .

Antecedentes de la Invención Uno de los retos mayores de los proteómicos es la complejidad abrupta de las mezclas biomoleculares , tales como el suero sanguíneo o los extractos celulares . Las muestras sanguíneas típicas podrían contener más de 10,000 diferentes especies de proteínas, con concentraciones que varían por más de 9 órdenes de magnitud. Tal diversidad de proteínas, así sus intervalos de concentración abrumadores, imponen un reto formidable para la preparación de muestras en los proteómicos .

Las técnicas de análisis de proteínas, Ref.217364 convencionales, basadas en pasos de separación multidimensionales , y espectrometría de masa (MS) , quedan cortas debido a la capacidad limitada de los picos de separación (hasta ~ 3000) y el intervalo dinámico de la detección (~ 104) . Los sistemas de análisis biomoleculares microfluídicos (denominados yTAS) son promisorios para el procesamiento automatizado de biomoléculas . Diversos pasos de separación y purificación de biomoléculas, así como la reacción química y la amplificación han sido miniaturizados sobre un microchip, demostrando órdenes de magnitud más rápidos en la separación de muestras y en el procesamiento. Además, la integración microfluídica de dos pasos de separación diferentes en un dispositivo de separación multidimensional , ha sido demostrada. No obstante, la mayoría de los dispositivos de separación microfluídica y de procesamiento de muestras sufren del problema crítico de mala concordancia de volumen de muestra. Los dispositivos microfluídicos son muy eficientes en el manejo y procesamiento de lpL-lnL de fluidos de muestra, pero la mayoría de muestras de biomoléculas son disponibles o manejadas en un volumen líquido mayor de 1 yL. Por lo tanto, las técnicas de separación basadas en microchip a menudo analizan únicamente una pequeña fracción de las muestras disponibles, lo que limita significativamente la sensibilidad y detección compleja. En los proteómicos, este problema es exacerbado por el hecho de que las moléculas de señalización ricas en información (citocinas y biomarcadores, por ejemplo) están presentes únicamente en concentraciones en trazas (intervalo de nM~pM) , y no existe ninguna técnica de amplificación de señales tales como la reacción en cadena de polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) para las proteínas y los péptidos.

Lo que se necesita es un concentrador de muestras, eficiente, que pueda tomar un volumen de muestra típico de microlitros o más y concentrar las moléculas en ésta en un volumen más pequeño, de modo que tales moléculas puedan ser separadas y detectadas de manera mucho más sensible. Varias estrategias son disponibles actualmente para proporcionar la concentración de la muestra en el líquido, incluyendo apilamiento de la muestra amplificado por campo (FAS, por sus siglas en inglés) , isotacoforesis (ITP) , atrapamiento electrocinético, barrido electrocinético micelar, preconcentración cromatográfica, y preconcentración en membrana. Muchas de estas técnicas son originalmente desarrolladas para la electroforesis capilar, y requieren arreglos de amortiguadores y/o reactivos especiales. La eficiencia de las técnicas de pre-concentración cromatográficas y basadas en filtración, depende de la hidrofobicidad y el tamaño de las moléculas objetivo. El atrapamiento electrocinético puede ser utilizado para cualquier especie de biomolécula cargada, pero en general requiere membranas selectivas de carga, nanoporosas para la operación. En general, los factores de concentración demostrados para los esquemas de pre-concentración existentes están limitados a ~ 1000, y su aplicación a los microsistemas integrados es difícil debido a diversos constreñimientos operacionales tales como los requerimientos de reactivos y de materiales .

Por otra parte, la eliminación de especies cargadas y específicamente sal, es necesaria en dispositivos microfluídicos con el fin de producir fluidos puros para la síntesis y análisis. Cuando el fluido es agua, el agua purificada es necesaria para beber.

El agua fresca es la fuente vital para la vida humana. No obstante, el crecimiento de la población, los estándares de vida aumentados, junto con la expansión en las actividades industriales y agrícolas están impulsando demandas sin precedentes sobre suministros de agua limpios en todo el mundo. La OECD y las Naciones Unidas han reportado que 350 millones de personas están sufriendo de desabasto de agua hoy en día en 25 países, especialmente en el Medio Oriente y en África, pero esto crecerá hasta 3,900 millones de personas (2/3 de la población mundial) en 52 países por el año 2025.

La escasez de agua potable es uno de los retos agudos que el mundo está enfrentando hoy en día, y de este modo la estrategia de desalinización eficiente en energía, puede proporcionar una respuesta sustancial para la crisis del agua. Convertir el agua de mar abundante en agua potable puede proporcionar la solución al problema de escasez de agua mundial, ya que aproximadamente 97% de los recursos acuáticos totales sobre la tierra, es agua de mar y únicamente 0.5% de los recursos de agua totales son agua dulce potable. Históricamente, la destilación ha sido el método de elección para la desalinización de agua de mar, a pesar de sus altos costos de capital y de energía, adecuados para los países del Medio Oriente, donde el combustible requerido para la destilación es relativamente barato. Los otros procedimientos estándares para la desalinización de agua dé mar son la osmosis inversa (RO) y la electro-diálisis (ED) , con eficiencias de energía relativamente buenas (~ 5Wh/l para RO, y 10~25Wh/l para ED) . El proceso RO requiere la generación de una presión alta con el fin de superar la presión osmótica del agua de mar (~ 27 veces la presión atmosférica) a través de las membranas semi-permeables utilizadas. El proceso ED utiliza corrientes eléctricas para mover los iones selectivamente a través de la membrana permeoselectiva dejando el agua pura detrás. Las tres técnicas de desalinización de agua de mar mencionadas anteriormente, requieren sistemas a gran escala con consumo significativo de energía y otras consideraciones de infraestructura a gran escala, que incrementan críticamente los costos de operación de tales sistemas. Estas características hacen a los métodos no adecuados para áreas golpeadas por los desastres en los países subdesarrollados.

Esto presenta un reto global significativo, ya que las áreas afectadas por la escasez aguda de agua están a menudo en los países más pobres, más subdesarrollados. La falta de agua limpia también presenta retos significativos a la salud, a la energía y a la economía para la población en estos países. En este sentido, los sistemas de desalinización de agua de mar a pequeña escala o portátiles con consumo bajo de energía y altos rendimientos, podrían ser muy útiles en muchas necesidades gubernamentales, civiles y militares importantes, incluyendo operaciones humanitarias, en áreas volteadas por desastres o en instalaciones limitadas en recursos. Otro reto significativo en la desalinización del agua de mar es la detección y eliminación de micro/macro-partículas, bacterias, y otros patógenos contenidos en el agua de la fuente. Estas partículas y los microorganismos provocan obstrucción de las membranas, lo cual es un problema mayor para los sistemas RO y ED. El proceso de osmosis delantera (extracción del agua de mar hacia líquido incluso más salino, seguido por osmosis inversa) fue utilizado para la filtración en un proceso de desalinización de agua de mar, pero su operación sufre de altos costos debido al consumo adicional de energía.

Breve Descripción de la Invención En una modalidad, esta invención proporciona un sistema micro/nanofluídico para convertir el agua de mar (salinidad ~ 500mM) a agua potable (salinidad < lOmM) utilizando la polarización de concentración de iones.. Una corriente continua de agua de mar es dividida en corrientes desalinizadas y concentrada, de acuerdo a los métodos que confían en el fenómeno de agotamiento con iones, y las dos corrientes divididas se hacen fluir hacia diferentes microcanales . La característica distintiva clave de este esquema es que las sales y las partículas más grandes (células, virus y microorganismos) son empujadas lejos (no a través) de la membrana nanoporosa en una operación de flujo en estado de reposo, continua, produciendo significativamente la posibilidad de obstrucción o atascamiento de la membrana y acumulación de sal, que satura la membrana en la osmosis inversa y en otros métodos de filtración con membrana. El uso de un dispositivo unitario microfluídico, simple, de desalinización continua de agua de mar a un consumo de energía menor de 5 Wh/1 fue demostrado. Tal desalinización es comparable a la electrodiálisis del estado de la técnica y a los sistemas de desalinización por osmosis inversa. Los presentes métodos podrían ser idealmente adecuados para aplicaciones de desalinización a pequeña y mediana escala con la posibilidad energizada por batería que puede eliminar la necesidad para plantas de desalinización más grandes.

Esta invención proporciona, en una modalidad, un método para acelerar el flujo de líquidos en un dispositivo microfluídico, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende una especie cargada, proveniente de una fuente hacia un dispositivo microfluídico, que comprende: i. un sustrato; ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende la especie cargada desde un primer lado hacia un segundo lado; iii. al menos un microcanal de amortiguador o depósito que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra con lo cual el flujo electroosmótico es inducido en el microcanal de muestra, introduciendo posteriormente el flujo en el líquido dentro del dispositivo y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico; y • inducir un segundo campo eléctrico en el conducto, con lo cual ocurre un agotamiento de iones en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, y con esto el agotamiento de iones acelera el flujo en el microcanal de muestra .

En una modalidad, el primer campo eléctrico en el microcanal de muestra es generado por la aplicación de un volumen más alto al primer lado del microcanal de muestra y un voltaje más bajo al segundo lado del microcanal de muestra. En una modalidad, el voltaje más alto, el voltaje más bajo o una combinación de los mismos es el voltaje positivo. En una modalidad, el voltaje positivo está entre 50 mV y 500 V. En una modalidad, el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo es logrado al poner a tierra eléctricamente el segundo lado del microcanal de muestra.

En una modalidad, el segundo campo eléctrico en el conducto es generado por la aplicación de un voltaje más alto al lado del conducto que está conectado al microcanal de muestra, y un voltaje más bajo al lado del conducto que está al microcanal de amortiguador. En una modalidad, el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo es aplicado al conectar a tierra eléctricamente el microcanal o depósito de amortiguador conectado al conducto. En una modalidad, el voltaje más alto es el resultado de los dos voltajes aplicados al primer lado y al segundo del microcanal de muestra. En una modalidad, el voltaje más alto tiene un valor intermedio que cae entre los valores de los dos voltajes aplicados al primer lado y al segundo lado del microcanal de muestra.

En una modalidad, el primer y el segundo campos eléctricos son inducidos por aplicación de un voltaje de 60 V al primer lado del microcanal de muestra y mediante la aplicación de un voltaje de 40 V al segundo lado del microcanal de muestra y en donde el microcanal o depósito de amortiguador es eléctricamente conectado a tierra.

En una modalidad, después de la introducción de una solución que comprende especies cargadas al microcanal de muestra y la inducción independiente del campo eléctrico en el conducto, y el campo eléctrico en el microcanal de muestra, las especies cargadas son confinadas a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto.

En una modalidad, el microcanal de muestra comprende además una primera salida para la solución con baja concentración de sal, y una segunda salida para la solución con alta concentración de sal.

En una modalidad, la anchura del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos está entre 1 - 100 ym. En una modalidad, la profundidad del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos está entre 0.5-50 ym. En una modalidad, la anchura del conducto está entre 100-4000 nanómetros . En una modalidad, la anchura del conducto está entre 1-100 micrómetros. En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 20-100 nanómetros. En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 1-100 micrómetros.

En una modalidad, la superficie del microcanal de muestra ha sido funcionalizado para reducir la adsorción de especies de interés hacia la superficie. En una modalidad, la superficie del conducto y/o del primero o el microcanal de amortiguador ha sido funcionalizada para aumentar la eficiencia de operación del dispositivo.

En una modalidad, un voltaje de entrada externo es aplicado al sustrato del dispositivo, para aumentar la eficiencia de operación del dispositivo.

En una modalidad, el microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador, el conducto o la combinación de los mismos, son formados mediante litografía y procesos de grabado con ácido.

En una modalidad, el dispositivo está comprendido de un material transparente. En una modalidad, el material transparente es Pyrex, dióxido de silicio, nitruro de silicio, cuarzo o SU-8. En una modalidad, el dispositivo está recubierto con un material de baja autofluorescencia .

En una modalidad, el dispositivo está acoplado a una bomba. En una modalidad, el dispositivo está acoplado a un sensor, sistema de separación, sistema de detección, sistema de análisis, o combinación de los mismos.. En una modalidad, el sistema de , detección comprende una fuente de iluminación, una cámara, una computadora, un luminómetro, un espectrofotómetro, o una combinación de los mismos.

En una modalidad, la velocidad del flujo del líquido en el microcanal de muestra está entre 100 m/segundo y 10 mm/segundo .

En una modalidad, el dispositivo comprende múltiples microcanales de muestras, múltiples microcanales de amortiguadores, múltiples conductos de los mismos. En una modalidad,' los múltiples microcanales, conductos y combinaciones de los mismos están acomodados con una geometría particular o en un arreglo. En una modalidad, el arreglo comprende al menos 1000 microcanales de muestra, al menos 1000 microcanales de amortiguadores y al menos 1000 conductos .

En una modalidad, la longitud del dispositivo, la anchura, la altura del mismo o una combinación de los mismos, están en el intervalo de entre 10 cm a 30 cm.

En una modalidad, la geometría o el arreglo comprende orientación perpendicular de los microcanales con respecto a los conductos .

En una modalidad, la velocidad de flujo del volumen de líquido es al menos 1 1/min. En una modalidad, la velocidad de flujo del volumen del líquido está en el intervalo de entre 60-100 1/min. En una modalidad, el líquido comprende las especies cargadas es agua de mar. En una modalidad, la energía eléctrica necesaria para la operación del dispositivo está en el intervalo de entre 10 w a 100 w. En una modalidad, el flujo a través del microcanal de muestra es continuo.

En una modalidad, el dispositivo es parte de un aparato. En una modalidad, el aparato es manual/portátil. En una modalidad, el aparato es un aparato de mesa.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para disminuir la concentración de sal o para desalinizar una solución, el método comprende los pasos.de: • introducir un líquido que comprende iones salinos provenientes de una fuente en un dispositivo microfluídico que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual puede ser hecho pasar el líquido que comprende iones salinos; iii. al menos un microcanal de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto; v. una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos; y vi. una unidad para inducir un flujo impulsado por presión o por electrocinética en el microcanal de muestra ; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra con lo cual el flujo electroosmótico es inducido en el microcanal de muestra, introduciendo posteriormente el flujo en el líquido dentro del dispositivo y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico; y • inducir un campo eléctrico en el conducto, con lo cual es formada una capa de carga espacial dentro del microcanal de muestra, proporcionando una barrera de energía a las especies iónicas, y con lo cual ocurre el agotamiento de iones en el microcanal de muestra en una región próxima al conducto, y los iones son confinados, a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto.

En una modalidad, la alimentación de agua de mar puede ser realizada por gravedad. En una modalidad, la alimentación de agua de mar inducida por gravedad es una ventaja sobre los métodos RO o ED debido a que éste no requiere energía adicional para la distribución de la muestra .

En una modalidad, el proceso de desalinización de ICP puede ser corrido en una celda fotovoltaica (por ejemplo, una celda solar) . Una de las características más significativas de la desalinización de ICP de la presente invención es el bajo consumo de energía, lo que significa que la energía de operación puede ser conectada ya sea por una batería recargable o por celdas fotovoltaicas . La celda fotovoltaica actual puede producir un promedio de ~ 25mW/cm. Con esta eficiencia, el área total de una celda fotovoltaica necesaria para operar un dispositivo de esta invención, debe ser de ~ 2700 cm2 (2250 uW x 3 x 104/ 25 mW/cm2) . Tal área de celda fotovoltaica puede energizar el dispositivo con una velocidad de flujo de 300 ml/min. Este tamaño (~ 50 cm x 50 cm) de la celda fotovoltaica flexible, necesario, es adecuado para un sistema portátil, que puede hacer a este sistema de desalinización portátil, energizado por energía solar.

En una modalidad, el líquido que comprende sal es agua de mar. En una modalidad, el método es utilizado para desalinizar agua de mar para beber. En una modalidad, el microcanal de muestra comprende además una primera salida para la solución con baja concentración de sal y una segunda salida para la solución con alta concentración de sal. En una modalidad, la primera salida para la solución con baja concentración de sal está conectada a la zona de agotamiento de iones en el microcanal de muestra y la segunda salida para la solución con alta concentración de sal está conectada a la región que está distante del conducto en donde son confinados los iones salinos.

En una modalidad, el flujo a través del microcanal de muestra es continuo. En una modalidad, el método es utilizado para filtrar soluciones para la síntesis, análisis de detección, purificación o una combinación de los mismos. En una modalidad, el método es utilizado para eliminar contaminantes del agua.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para detener o cambiar la dirección del flujo del líquido, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende especies cargadas provenientes de una fuente, dentro de un dispositivo microfluídico que comprende: i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende las especies cargadas desde un primer lado hacia un Segundo lado generando de este modo un primer flujo; iii. al menos un microcanal o depósito de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; tal que la dirección de flujo del líquido es de un primer lado hacia un segundo lado del microcanal de muestra. · inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra y un segundo campo eléctrico en el conducto, con lo cual ocurre el agotamiento de iones en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, con lo cual es inducido un segundo flujo electrocinético en el microcanal de muestra, la segunda dirección de flujo es proveniente del segundo lado hacia el primer lado del microcanal, y el segundo flujo electroosmótico es controlado por la fuerza del primero y el segundo campos eléctricos; con esto, el segundo bloque inducido desde el segundo lado hacia el primer lado del microcanal se opone al primer flujo desde el primer lado hacia el segundo lado, y con esto el segundo flujo inducido desde el segundo lado hacia el primer lado, puede detener el primer flujo o invertir la dirección del primer flujo.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 (a) describe esquemáticamente las modalidades de un dispositivo para acelerar el flujo del líquido. Un diagrama esquemático de sistema de canal híbrido micro/nanofluídico y el comportamiento del fluido dentro de los canales es mostrado. El campo eléctrico tangencial (ET) y el campo eléctrico normal (EN) fueron aplicados a lo largo del microcanal central y a través del conducto, respectivamente. La figura 1(b) ilustra el bombeo del fluido utilizando el flujo electrocinético amplificado (~ 70 nL/min; equilibrio, ~ 350 nL/min; electrocinética amplificado) . En este caso, el VH fue de 500V y VL fue de 400V y el tiempo de transición entre esos EOF's fue menor de 1.5 segundos. El EOF de equilibrio fue medido con los depósitos laterales flotados, mientras que el flujo electrocinético amplificado, fue medido con los depósitos laterales conectados a tierra. La figura 1(c) ilustra los dos modos de bombeo del flujo electrocinético amplificado como una función del ET (VH fue fijado a 500V, mientras que el VL fue variado) .

Las Figuras 2 (a) a 2 (c) describen esquemáticamente las modalidades de un dispositivo para desalinizar un líquido. Un diagrama esquemático del sistema de desalinización micro/nanofluídico sobre (Fig. 2(a)) dispositivos de conductos de lado simple y (Fig. 2(b)) de lado doble, (Fig. 2(c)) la verificación experimental de los movimientos de las partículas en . el dispositivo de desalinización de un solo lado. El voltaje aplicado es VH =60V y VL =40V.

Las Figuras 3 (a) a 3 (c) describen esquemáticamente las modalidades de un dispositivo para revertir la dirección del flujo de un líquido. La Figura 3(a) muestra esquemáticamente el sistema de medición de la velocidad de flujo con una bomba de jeringa externa. La figura 3(b) ilustra la histéresis de bombeo de fluido como una función de ET y la concentración iónica del amortiguador bajo campos de presión externos que tienen la dirección opuesta contra ET (VL fue fijado a OV, mientras que VH fue variado) . Los valores positivos de la velocidad de flujo fueron cambiados a valores negativos debido al flujo electrocinético amplificado dentro de 2 segundos. La figura. 3(c) muestra imágenes secuenciales del cambio de fluido utilizando el flujo electrocinético amplificado bajo un cambio de presión externo. La dirección del flujo neto fue cambiada al incrementar ET contra los campos de presión. El número de cada imagen corresponde a aquel de la Figura 3 (b) .

Las Figuras 4 (a) a 4 (b) describen esquemáticamente las modalidades de un dispositivo para la operación de alto rendimiento. La Figura 4(a) muestra esquemáticamente los dispositivos de multi-nanouniones para la velocidad de flujo más alta. Inicialmente , el fluido fue bombeado vía el Vi (fase 1) , luego la zona de agotamiento de iones fue creada y comenzó a bombear. Después de un rato, V2 fue ajustado por debajo de Vi (fase 2) , mientras que Vx fue mantenido (VH>VL>Vi>V2) . La función combinada de Vi y V2 puede dar una velocidad de flujo más alta que la fase 1. La figura 4(b) muestra dispositivos de canal masivamente paralelos para aplicaciones de alto rendimiento. Los fluidos que vienen de cada microcanal que están conectados por nano-unión fueron fusionados dentro de un microcanal.

La Figura 5 describe esquemáticamente las velocidades de EOF de equilibrio y no equilibrio (región de rozamiento interno/externo) como una función de ET.

Las Figuras 6 (a) a 6 (b) describen esquemáticamente un dispositivo (Fig. 6(a)) de compuerta simple (SG) y (Fig. 6 (b) ) un dispositivo compuerta doble (DG) .

La Figura 7 demuestra el comportamiento básico de enriquecimiento de iones y de agotamiento de iones en una modalidad de un dispositivo SG. El mismo voltaje fue aplicado al primer y al segundo lados del microcanal de muestra y los dos lados del canal de amortiguador fueron eléctricamente conectados a tierra. Una zona enriquecida en iones (clara) fue formada en el microcanal de amortiguador en un área próxima a los conductos . Una zona de agotamiento de iones (oscura) fue formada en el microcanal de muestra en un área próxima a los conductos . Las regiones de agotamiento y enriquecimiento fueron rápidamente extendidas.

Las Figuras 8 (a) a 8 (b) demuestran el agotamiento de iones en una modalidad de un dispositivo (Fig. 8(a)) SG y (Fig. 8(b)) DG, bajo condiciones de voltaje de agotamiento de iones. El potencial eléctrico aplicado al primer lado del microcanal de muestra (VH) fue de 20 V, y el lado derecho del microcanal de muestra (VL) fue de 10 V, mientras que el VH fue de 15 V en (Fig. 8(b)) . El o los canales de amortiguador fueron eléctricamente conectados a tierra.

Las Figuras 9 (a) a 9 (b) demuestran la migración electrocinética utilizando una modalidad de un dispositivo (Fig. 9(a)) SG y (Fig. 9(b)) DG. La velocidad estimada de las partículas señaladas fue de aproximadamente (a) 140 µp?/seg a VH = 10V y VL = 5 V y (b) 500 µ??/seg a VH = 10 V y VL = 5 V.

Las Figuras 10 (a) a 10 (b) son un diagrama esquemático de una modalidad de: (Fig. 10(a)) el sistema de desalinización micro/nanofluídico con el microelectrodo incrustado para medir la caída de potencial y (Fig. 10(b)) las operaciones de desalinización electrocinéticas asociadas con el campo de presión externo.

Las Figuras 11(a) a 11(d) describen las imágenes microscópicas de: (Fig. 11(a)) el rastreo de imagen fluorescente de los procesos de desalinizaciones bajo la velocidad de flujo externa de 20 L/min y el campo eléctrico aplicado de 75 V/cm. El microcanal de entrada tiene la dimensión de 500 de profundidad. La muestra de agua de mar fue inyectada y dividida en la corriente "salada" y "desalinizada" . La figura 11(b) muestra los colorantes fluorescentes (que representan sales) y WBCs (que representan partículas de tamaño micrométrico) fluyeron a través de la corriente salada cuando se disparó el ICP. Con el fin de aclarar la visualización de las partículas de tamaño micrométrico, el microcanal pequeño (100 µp? de anchura X 15 µp? de profundidad) fue utilizado. La imagen microscópica de cada depósito (Fig. 11(c)) salado y Fig. 11 (d) desalinizado) después de 1 hora de operación de desalinización que muestran la limpieza en la corriente desalinizada .

Las Figuras 12 (a) a 12 (b) ilustran una modalidad de la conductividad de una corriente de salada en experimentos con (Fig. 12(a)) muestras de agua de mar y (Fig. 12(b)) solución de amortiguador de fosfato 100 mM, como una función del campo eléctrico aplicado. En ambos casos, la conductividad de la corriente desalinizada cayó un nivel de mM bajo, una vez que el valor del campo eléctrico alcanzó el umbral. Este resultado coincide con el establecimiento de las zonas de ICP, observadas por los . rastreadores fluorescentes.

La Figura 13 demuestra la estimación del valor de pH utilizando papel litmus para el agua de mar, para la mezcla agua de mar + NaOH y para una muestra desalinizada.

La Figura 14 ilustra la velocidad de flujo efectiva al final de cada microcanal. Debido a las especificaciones del sensor de flujo, la medición fue realizada a una velocidad de flujo de entrada de 500 nL/min con el dispositivo de 100 pm de anchura X 15 µ?? de profundidad. El flujo de entrada fue casi igualmente dividido dentro de cada microcanal (250 nL/min) .

La Figura 15 es una ilustración de una modalidad de: (Izquierda) sistema de desalinización ICP alimentado por gravedad; el apilamiento µ?? tiene muchos dispositivos ICP micro- fluídicos , paralelos, para la eliminación de sal/patógeno. El prefiltro puede eliminar las partículas más grandes. (Derecha) Perspectiva de un dispositivo unitario.

Descripción Detallada de la Invención En una modalidad, los dispositivos y sistemas propuestos son altamente portátiles bajo consumo de energía. En una modalidad, los dispositivos y sistemas propuestos son altamente adecuados para varias aplicaciones en nicho tales como la operación militar en zona de guerra y operaciones humanitarias en áreas azotadas por desastres . El promedio de uso de agua por persona por día en los Estados Unidos es de aproximadamente 500 litros, que incluyen agua para beber, agua para bañarse, para cocinar, etc. Entre estos consumos, al menos 4 litros del agua potable son requeridos para mantener la vida diaria humana. El huracán "Katrina" golpeó Nueva Orleans en 2005 y 110,000 hogares quedaron completamente destruidos. En ese tiempo, más de 400,000 personas sufrieron de falta de agua potable en un área donde no puede ser construida una planta de desalinización a gran escala. Otra aplicación más para los dispositivos de esta invención es como un sistema de desalinización a bordo de buques, para el uso militar y civil. Los portaaviones pueden llevar de 5,000 ~ 10,000 marineros para un periodo de combate largo en un océano. Durante este periodo, el suministro de agua potable por desalinización de agua de mar abundante es una fuente esencial. Para casos como en los dos ejemplos ilustrados anteriormente, el sistema de desalinización de bajo consumo de energía y portátil podría ser altamente requerido, con la operación energizada con el sol como la mejor elección de operación.

. En una modalidad, la operación de dispositivos de la presente invención fue exitosamente demostrada. De acuerdo a este aspecto y en una modalidad, la operación unitaria fue exitosamente demostrada utilizando agua de mar. En una modalidad, esta invención proporciona la integración de un gran número de dispositivos unitarios sobre un área grande (por ejemplo, una placa de 15.2-21.3 cm (6-8 pulgadas) ) . En una modalidad, el proceso de fabricación para un arreglo de dispositivos unitarios es proporcionado, en donde el proceso de fabricación no involucra procesos de fabricación MEMS costosos, sino únicamente requieren procesos de moldeo en plástico. Además, el costo de material para el dispositivo (materiales plásticos tales como polidimetilsiloxano (PDMS) ) es al menos un orden de magnitud más bajo que los materiales MEMS estándares tales como el silicio. En una modalidad, se proporciona un proceso para la producción en masa de dispositivos (por ejemplo, mediante moldeo por plástico) . En una modalidad, el tamaño característico de un dispositivo unitario es del orden de ~ 0.1 mm, lo cual es adecuado para el proceso de. fabricación con plástico, estándar tal como el moldeo (inyección) .

En 2005, la capacidad total de las instalaciones de desalinización alrededor del mundo era de 40 millones de toneladas/día (para el uso de 100-150 millones de personas) y se espera que se incremente hasta 100 millones/día en el 2015. En términos de ganancias del mercado, un mercado de 25,000 millones en 2006 crecerá a 60 millones en 2015 debido a la demanda cada vez mayor de agua potable. Entre estos mercados, aproximadamente 10% del mercado total es para agua potable para la vida humana. El 90% restante de las ganancias es para el uso de agua agrícola e industrial que debe ser proporcionado por plantas de gran escala.

En una modalidad, los dispositivos, Sistemas y procesos de esta invención, cuando son modificados de acuerdo a las consideraciones específicas de ingeniería y de elevación de escala, encuentran aplicaciones en este mercado desalinización de agua con una ventaja competitiva en la simplicidad del proceso, falta de obstrucción y eficiencia de energía. Los procesos de desalinización ICP de la presente invención tienen mucho mejor eficiencia de energía y carecen de obstrucción. Por lo tanto, los procesos de desalinización ICP de la presente invención son ventajosos cuando son comparados al proceso ED que es actualmente una técnica desalinización de agua de mar viable, utilizada en algunos países (por ejemplo, la India) .

En una modalidad, un objetivo de esta invención es demostrar la factibilidad del nuevo esquema de desalinización que utiliza la polarización de concentración de iones (ICP) para desalinización de agua de mar, directa sin membrana. La ICP es un fenómeno de transporte electroquímico fundamental que ocurre cuando la corriente de iones es pasada a través de membranas selectivas de iones. A menudo denominado como agotamiento o enriquecimiento de iones, este fenómeno es debido a la no concordancia de los portadores de carga en la interfaz . La membrana (ya sea membrana de nanocanales o nanoporosa) conduce únicamente cationes preferentemente (membrana de intercambio de cationes) , es la no concordancia con las conductividades iónicas en el electrolito a granel. Como resultado, son generados gradientes de concentración de iones sobre ambos lados de las membranas. Una vez que la ICP es disparada cerca de la membrana de intercambio catiónico, las concentraciones de los cationes y aniones disminuyen sobre el lado anódico de la unión (agotamiento de iones) y se incrementan sobre el lado catódico (enriquecimiento de iones) . Además, cualesquiera partículas cargadas, células y otros coloides pequeños serán también agotados junto con los iones. Combinado con el flujo impulsado por la presión, externa, se podrá obtener una zona de agotamiento en estado de reposo, bien definida, que se forma utilizando el dispositivo como se muestra en la Figura 10(a) y 10(b) . En una modalidad, los sistemas bajo estudio están compuestos de 2 microcanales paralelos conectados por nanocanales (o una membrana nanoporosa) como se muestra en la Figura 10 (a) . En comparación a la geometría de membrana clásica que bloqueó un canal recto, el flujo del fluido en el presente diseño no es bloqueado por la membrana, sino más bien fluye en direcciones tangenciales a ésta.

Esta invención proporciona, en una modalidad, métodos para acelerar el flujo de líquido en un dispositivo microfluídico . La invención proporciona los métodos para el bombeo amplificado, para el cambio de dirección de flujo y para la desalinización de una solución. Los métodos están basados en la localización eléctricamente inducida de especies cargadas en solución, que provocan el aumento del flujo del fluido. Las especies cargadas, localizadas, pueden ser además separadas, aisladas y retiradas de la solución.

En una modalidad, la invención proporciona, un método para acelerar el flujo de líquidos en un dispositivo microfluídico, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende una especie cargada, proveniente de una fuente hacia un dispositivo microfluídico, que comprende: i. un sustrato; ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende la especie cargada desde un primer lado hacia un segundo lado; iii. al menos un microcanal de amortiguador o depósito que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra con lo cual el flujo electroosmótico es inducido en el microcanal de muestra, introduciendo posteriormente el flujo en el líquido dentro del dispositivo y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico; y • inducir un segundo campo eléctrico en el conducto, con lo cual ocurre un agotamiento de iones en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, y con esto el agotamiento de iones acelera el flujo en el microcanal de muestra .

En una modalidad, la anchura del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos está entre 1 - 100 µp?. En una modalidad, la profundidad del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos está entre 0.5-50 µ??. En una modalidad, la anchura del conducto está entre 100-4000 nanómetros. En una modalidad, la anchura del conducto está entrei 1-100 micrómetros. En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 20-100 nanómetros. En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 1-100 micrómetros .

En una modalidad, la superficie del microcanal de muestra ha sido f ncionalizado para reducir la adsorción de especies de interés hacia la superficie. En una modalidad, la superficie del conducto y/o del primero o el microcanal de amortiguador ha sido funcionalizada para aumentar la eficiencia de operación del dispositivo.

En una modalidad, el dispositivo comprende un segundo sustrato. En una modalidad, el segundó sustrato es utilizado para cubrir o para sellar el dispositivo. En una modalidad, el segundo sustrato está comprendido del mismo material que el primer sustrato. En algunas modalidades el primero y el segundo sustratos están comprendidos de diferentes materiales.

En algunas modalidades, el segundo sustrato está elaborado de un material transparente. En una modalidad, el material transparente es pyrex, dióxido de silicio, nitruro de silicio, cuarzo o SU-8. En una modalidad, el segundo sustrato está recubierto con un material de baja auto-fluorescencia.

En algunas modalidades, la fabricación del dispositivo es completada vía, por ejemplo, en unión por plasma del primer sustrato al segundo sustrato. En algunas modalidades, el primer y el segundo sustratos se sellan entre sí por las propiedades de adherencia física entre los dos sustratos. En algunas modalidades la adherencia del primer sustrato al vidrio, al poliestireno, a otro material polimérico o al silicio, es reversible. En una modalidad, si el segundo sustrato es elaborado de vidrio, el poliestireno u otro material polimérico, o si el segundo sustrato es elaborado de silicio, la adherencia del primer sustrato al segundo sustrato es reversible. En algunas modalidades, un tipo de un segundo sustrato puede ser inicialmente acoplado al primer sustrato. Este segundo sustrato puede ser posteriormente retirado o reemplazado por otro tipo más de segundo sustrato. En una modalidad, el primero y el segundo sustratos son inmovilizados. En una modalidad, la inmovilización proporciona el método de selladura eficiente y reversible para el dispositivo. En algunas modalidades, el primero o el segundo sustrato es de un espesor que puede afectar cualquier aplicación óptica deseada, por ejemplo, en algunas modalidades, el dispositivo, el segundo sustrato o la cubierta pueden ser construidos de un vidrio de cubierta, tal que es práctica la formación de imagen confocal del dispositivo y los contenidos del dispositivo. En algunas modalidades, la invención proporciona un kit de partes, por ejemplo, un kit que comprende el primer sustrato y los canales. De acuerdo a este aspecto y en algunas modalidades, el segundo sustrato puede ser proporcionado separadamente. Diversos segundos sustratos pueden ser proporcionados con un kit, o en paquetes de cubierta desechables. Los segundos sustratos pueden diferir en un material, tamaños, geometría, aspereza superficial, conexiones eléctricas o circuitos eléctricos incrustados en los sustratos y en sus propiedades ópticas .

• En una modalidad, el dispositivo está acoplado a una bomba. En una modalidad, el dispositivo está acoplado a un sensor, sistema de separación, sistema de detección, sistema de análisis, o combinación de los mismos. En una modalidad, el sistema de detección comprende una fuente de iluminación, una cámara, una computadora, un luminómetro, un espectrofotómetro, o una combinación de los mismos.

En una modalidad, la velocidad del flujo del líquido en el microcanal de muestra está entre 100 µt?/segundo y 10 mm/segundo.

En una modalidad, el dispositivo comprende múltiples microcanales de muestras, múltiples microcanales de amortiguadores, múltiples conductos de los mismos. En una modalidad, los múltiples microcanales, conductos y combinaciones de los mismos están acomodados con una geometría particular o en un arreglo. En una modalidad, el arreglo comprende al menos 1000 microcanales de muestra, al menos 1000 microcanales de amortiguadores y al menos 1000 conductos .

En una modalidad, la longitud del dispositivo, la anchura, la altura del mismo o una combinación de los mismos, están en el intervalo de entre 10 cm a 30. cm.

En una modalidad, la geometría o el arreglo comprende orientación perpendicular de los microcanales con respecto a los conductos.

En una modalidad, la velocidad de flujo del volumen de líquido es al menos 1 1/min. En una modalidad, la velocidad de flujo del volumen del líquido está en el intervalo de entre 60-100 1/min. -En una modalidad, el líquido comprende las especies cargadas es agua de mar. En una modalidad, la energía eléctrica necesaria para la operación del dispositivo está en el intervalo de entre 10 a 100 w. En una modalidad, el flujo a través del microcanal de muestra es continuo.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para disminuir la concentración de sal o para desalinizar una solución, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende iones salinos provenientes de una fuente en un dispositivo microfluídico que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual puede ser hecho pasar el líquido que comprende iones salinos; iii. al menos un microcanal de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto; v. una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de los mismos; y vi. una unidad para inducir un flujo impulsado por presión o por electrocinética en el microcanal de muestra; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra con lo cual el flujo electroosmótico es inducido en el microcanal de muestra, introduciendo posteriormente el flujo en el líquido dentro del dispositivo y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico; y • inducir un campo eléctrico en el conducto, con lo cual es formada una capa de carga espacial dentro del microcanal de muestra, proporcionando una barrera de energía a las especies iónicas, y con lo cual ocurre el agotamiento de iones en el microcanal de muestra en una región próxima al conducto, y los iones son confinados a una región dentro del microcanal de muestra' que está distante del conducto.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para detener o cambiar la dirección del flujo del líquido, el métódo comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende especies cargadas provenientes de una fuente, dentro de un dispositivo microfluídico que comprende: i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende las especies cargadas desde un primer lado hacia un Segundo lado generando de este modo un primer flujo; iii. al menos un microcanal o depósito de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; tal que la dirección de flujo del líquido es de un primer lado hacia un segundo lado del microcanal de muestra. • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal ( de muestra y un segundo campo eléctrico en el conducto, con lo cual ocurre el agotamiento de iones en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, con lo cual es inducido un segundo flujo electrocinético en el microcanal de muestra, la segunda dirección de flujo es proveniente del segundo lado hacia el primer lado del microcanal, y el segundo flujo electroosmótico es controlado por la fuerza del primero y el segundo campos eléctricos; con esto, el segundo bloque inducido desde el segundo lado hacia el primer lado del microcanal se opone al primer flujo desde el primer lado hacia el segundo lado, y con esto el segundo flujo inducido desde el segundo lado hacia el primer lado, puede detener el primer flujo o invertir la dirección del primer flujo.

I. Definiciones En una modalidad, la aceleración del flujo de líquidos significa incrementar o aumentar la velocidad de flujo. En una modalidad, la aceleración de flujo de líquidos significa que el líquido fluye más rápido o a una mayor velocidad. En una modalidad, la aceleración del flujo de líquidos significa que la velocidad del fluido se incrementa. En una modalidad, la velocidad es incrementada continuamente. En una modalidad, el incremento continúo en la velocidad de flujo es lineal con el tiempo y/o con los voltajes aplicados. En una modalidad, el incremento continuo es no lineal. En una modalidad, la aceleración es realizada de una manera gradual. En una modalidad, la velocidad de flujo es incrementada de un valor más bajo constante a un valor más alto constante. En una modalidad, son realizados pocos pasos de aceleración. En una modalidad, en cada paso la velocidad de flujo se incrementa. En una modalidad, la aceleración gradual es gobernada por los campos eléctricos inducidos sobre el líquido en el microcanal de muestra.

En una modalidad, un dispositivo microfluídico es un dispositivo que comprende características con dimensiones en la escala micrométrica . En una modalidad, un dispositivo microfluídico es un dispositivo que comprende características con al menos una dimensión entre 1 micrómetro (1 m) y 1000 micrómetro (1000 µp?) . En una modalidad, un dispositivo microfluídico comprende canales con anchura o profundidad en la escala micrométrica, y con longitud en la escala micrométrica, milimétrica o de centímetros. En una modalidad, tales canales son denominados como microcanales . En una modalidad, el líquido puede ser hecho pasar a través de los microcanales. En una modalidad, un dispositivo microfluídico es un dispositivo a través del cual el fluido puede ser hecho pasar. En una modalidad, el fluido puede ser un líquido. En una modalidad, el líquido puede ser puro. En una modalidad, el líquido puede ser una mezcla. En una modalidad, el líquido puede ser una solución. En una modalidad, la solución puede contener moléculas o iones. En una modalidad, la solución puede ser acuosa u orgánica. En una modalidad, una solución que comprende iones puede ser una solución salina. En una modalidad, la sal puede ser sal de mar. En una modalidad, la sal de mar es 'predominantemente cloruro de sodio. En una modalidad, la sal comprende cualquier sal de metal alcalino. En una modalidad, la sal comprende un catión de metal alcalinotérreo . En una modalidad, la sal comprende iones halógeno. En una modalidad, la sal comprende iones complejos. En una modalidad, la sal comprende iones de H+, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 3+, Cu2+, Ba2+, Au3+, F, Br", Cl", I", OH", N03, C032~, S042" o una combinación de los mismos.

En una modalidad, el líquido comprende especies cargadas. En una modalidad, cargado significa eléctricamente cargado. En una modalidad, la especie cargada es una especie que puede ser influenciada por un campo eléctrico. En una modalidad, una especie cargada puede ser hecha migrar en un campo eléctrico. En una modalidad, una especie cargada es atraída a una región con una carga opuesta. En una modalidad, las especies cargadas migran hacia una reacción o un polo o una carga positiva, y son repelidas o migran fuera de las regiones con la misma carga. En una modalidad, la especie cargada es una molécula, un ión, una partícula, o un cúmulo o un agregado que posee una carga extra. En una modalidad, la especie cargada es una especie que no es eléctricamente neutra. En una modalidad, la especie cargada es un péptido, una proteína, o un nucleótido, un segmento de ADN o de ARN, una nanopartícula , una micropartícula, una esfera. En una modalidad, la especie cargada es una biomolécula.

En una modalidad, un sustrato es la estructura de soporte de un dispositivo microfluídico . En una modalidad, el sustrato es el material sobre el cual o en el cual es construido el dispositivo microfluídico . En una modalidad, el sustrato es una pieza de material a partir del cual el dispositivo o porciones de éste serán elaboradas. En una modalidad, el sustrato o el dispositivo está comprendido de un material transparente. En una modalidad, el material transparente es pyrex, dióxido de silicio, nitruro de silicio, cuarzo o SU-8. En una modalidad, el dispositivo es recubierto con un material de baja autofluorescencia . En una modalidad, el sustrato, el dispositivo o porciones del dispositivo son elaborados de silicio. En una modalidad, el sustrato, el dispositivo o porciones del dispositivo son elaborados de un polímero. En una modalidad, el polímero es PDMS.

En una modalidad, un depósito es cualquier recipiente que pueda mantener líquidos. En una modalidad, un depósito es un recipiente. En una modalidad, el depósito tiene una estructura de canal. En una modalidad, cualesquier depósito de la invención o el depósito de amortiguador o el canal de amortiguador es redondeado. En una modalidad, el depósito o el canal amortiguador tiene dos extremos. En una modalidad, pueden ser aplicados voltajes diferentes o iguales, a los dos extremos del depósito o al canal de amortiguador. En una modalidad, el depósito es el microcanal de amortiguador. En una modalidad, el microcanal de amortiguador o el depósito están conectados a tierra utilizando un electrodo. En una modalidad, el depósito o el canal de amortiguador son conectados a tierra utilizando dos o más electrodos. En una modalidad, puede ser aplicado cualquier voltaje al depósito de amortiguador o al microcanal • de amortiguador o a cualquier depósito de la invención utilizando uno o más electrodos.

En una modalidad, un conducto tiene al menos una dimensión nanométrica. En una modalidad, el conducto tiene un espesor en el intervalo de entre 1 nm y 1000 nm. En una modalidad, el conducto tiene dimensiones en la escala nanométrica, pero los poros en la escala nanométrica." En una modalidad, los poros de tamaño nanométricos son permeables. En una modalidad, los poros de tamaño nanométricos están interconectados .

En una modalidad, un campo eléctrico es el espacio que rodea una carga eléctrica. En una modalidad, el campo eléctrico ejerce una fuerza sobre otros objetos eléctricamente cargados. En una modalidad, una partícula cargada estacionaria en un campo eléctrico experimenta una fuerza proporcional a su carga. En una modalidad, un campo eléctrico puede ser inducido por la aplicación de un voltaje. En una modalidad, un campo eléctrico puede ser inducido en el área entre dos electrodos a los cuales es aplicado un voltaje desigual. En una modalidad, cierta distribución de cargas positivas o negativas en el espacio pueden dar origen a un campo eléctrico.

En una modalidad, el flujo electroosmótico o el electro-osmótico, a menudo abreviado EOF es el movimiento de los iones en un ambiente solvente a través de canales muy estrechos, donde el voltaje es aplicado a través de los canales provoca la migración de los iones. En una modalidad, una zona > de agotamiento de iones es una región en la solución que está agotada de iones. En una modalidad, bajo la influencia de un cierto campo eléctrico, los iones migran lejos de la zona de agotamiento. En una modalidad, la zona de agotamiento no contiene iones. En una modalidad, la zona de agotamiento contiene una concentración muy baja de iones. En una modalidad, la zona de agotamiento contiene menos iones que el número de iones que estaban presentes en esta zona antes de la inducción del campo eléctrico. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones en el microcanal de muestra, es la región proximal al conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones comprende la interfaz entre el microcanal de muestra y el conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-2 µt? del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-25 µp? del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-50 im del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-100 µp? del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-200 µp? ó 0-500 µ?t? del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o el área proximal al conducto es un área dentro del microcanal de muestra que está entre 0-1000 µp? del conducto. En una modalidad, la frase "los iones salinos están confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto" describe la región fuera de la zona de agotamiento de iones. En una modalidad, el término "distante" refleja un área en el microcanal de muestra que la distancia entre éste y el conducto es al menos la longitud de la zona de agotamiento de iones . En una modalidad, la zona de agotamiento de iones es un área alrededor del conducto a partir del cual son agotados los iones, y los iones son agotados hacia las áreas más distantes del conducto. En una modalidad, el área a la cual son confinados los iones salinos es un área que no comprende la zona de agotamiento de iones. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones y el área donde los iones salinos son confinados, son complementarias.

En una modalidad, la desalinización significa "eliminar los iones salinos de". En una modalidad, el agotamiento de iones de la zona de agotamiento de iones es equivalente a la desalinización de esta área.

En una modalidad, una "tierra", "aterrizado" o "eléctricamente conectado a tierra" son términos utilizados para describir el montaje relativo aplicado a un lado de los microcanales , a un lado de los conductos, o el montaje relativo aplicado a las regiones o electrodos utilizados en los métodos de esta invención. En una modalidad, en una modalidad, la tierra es el punto de referencia en un circuito eléctrico a partir del cual son medidos otros voltajes, una trayectoria de retorno común para corriente eléctrica (retorno a piso o retorno a tierra) , o una conexión física directa a la Tierra. Para propósitos de medición, la tierra sirve como una referencia potencial constante contra la cual pueden ser medidos otros potenciales. En una modalidad, un sistema de tierra eléctrica sirve como un nivel de referencia de voltaje cero, adecuado.

En una modalidad, un voltaje de entrada externo es un voltaje aplicado externo al microcanal o al conducto de la invención, y no directamente al líquido que lleva la especie cargada. En. una modalidad, "entrada" significa que la aplicación de tal voltaje puede introducir el flujo del líquido, al provocar que los iones se muevan o detengan el movimiento en una cierta dirección. En una modalidad, "entrar" o "entrada" significa el cambio de la dirección del flujo, o el cambio de la dirección de los iones migrantes. En una modalidad, la entrada puede detener el flujo. En una modalidad, el voltaje de entrada influye las especies cargadas por inducción de un campo eléctrico. El campo eléctrico inducido por el voltaje de entrada puede provocar la acumulación, migración, agotamiento p una combinación de los mismos de las especies cargadas en o arreglo de las áreas definidas en los canales microfluídicos .

En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención son elaborados mediante procesos de litografía o grabado al ácido. En una modalidad, los procesos de litografía y grabado al ácido son los procesos convencionales utilizados en la industria de la fabricación de semiconductores.

En una modalidad, los métodos de esta invención son utilizados para desalinizar o para disminuir la concentración de sal en una solución. En una modalidad, la desalinización o la disminución de la concentración de sal en una solución, comprende la reducción en el número de iones salinos o en un cierto volumen de una solución. En una modalidad, la desalinización o la. disminución de la concentración de sal de una solución comprende la reducción de la fuerza electrolítica de la solución.

En algunas modalidades, los dispositivos de esta invención comprenden un conducto que se conecta entre microcanales . En algunas modalidades, el término "conducto" puede referirse a un canal, un conectador, un cable, o un enlace, o un capilar relleno con solución, un material poroso relleno con fluido, un material eléctricamente conductor o semi -conductor . En una modalidad, un conducto es acoplado directamente a los microcanales, o en una modalidad, vía un adaptador, un filtro, una unión o cualquier otro material deseado, como será apreciado por la persona experta en la técnica. En algunas modalidades, el conducto es una unión entre un microcanal de muestra y un microcanal de amortiguador. En algunas modalidades, el flujo es inducido en el conducto. En una- modalidad, el flujo de iones es permitido a través del conducto. Se debe entender que cualquiera estructuración del dispositivo para acomodar el conducto es lo que debe entenderse que es abarcado por la frase "un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador", y es parte de la presente invención.

En una modalidad, un conducto es un nanocanal. De acuerdo a este aspecto, y en una modalidad, el conducto tiene al menos una dimensión en el intervalo de entre 1 nm y 1000 nm. En una modalidad, el conducto que comprende el material termoselectivo basado en polímero. En una modalidad, el material termoselectivo basado en polímero comprende Nafion. En una modalidad, el material termoselectivo basado en polímero comprende un material selectivo de cationes o un material selectivo de aniones. En una modalidad, el conducto comprende una unión eléctrica que es preferentemente conductora a los iones positivos o a los iones negativos.

En una modalidad, el amortiguador comprende una solución amortiguadora. En una modalidad, la solución amortiguadora es una solución que resiste el cambio en la concentración de iones hidronio (H+) y en los iones hidroxilo (OH") . Por lo tanto, una solución amortiguadora resiste en cambio de pH. La solución amortiguadora puede resistir un cambio de pH después de la adición de pequeñas cantidades de ácido o base, o después de la dilución. Las soluciones amortiguadoras consisten de un ácido débil y su base conjugada o una base débil y su ácido conjugado. En una modalidad, la solución amortiguadora comprende un amortiguador de fosfato. En una modalidad, la solución amortiguadora comprende un amortiguador de acetato, amortiguador de Tris, o amortiguadores de PIPES o HEPES .

En una modalidad, la unión eléctrica es cualquier unión que pueda pasar una señal eléctrica o una unión entre dos o más puntos a los cuales puede ser aplicado el voltaje, o una unión que hace posible que una señal eléctrica de un lado afecte el estado eléctrico de otro lado de la unión. En una modalidad, una unión eléctrica puede conectar dos o más cables o canales o áreas en donde al menos dos de los cables/canales/áreas tienen propiedades eléctricas diferentes de cero tales como el campo eléctrico, el voltaje, la corriente, la acumulación de carga, etc. En una modalidad, los dispositivos de esta invención comprenden la unión eléctrica que es preferentemente conductora a los iones positivos o negativos. En una modalidad, las uniones eléctricas pueden ser elaboradas de cualquier material poroso. En una modalidad, el material poroso puede ser orgánico y en otra modalidad es inorgánico. En una modalidad, el material inorgánico puede comprender alúmina, sílice o ambas. En una modalidad, el material poroso comprende partículas. En una modalidad, el material orgánico comprende polímeros. En una modalidad, el material ' poroso comprende copolímeros de dos o de tres bloques.

En una modalidad, µ define "micro" o "micrón" o "micrones". En una modalidad, µ es utilizado como un término para describir la viscosidad. En una modalidad, m significa micrómetro (s) y en una modalidad L significa microlitro. En una modalidad, donde es utilizado µ para describir la viscosidad, el uso de µ es aparente a partir de la frase relevante. En una modalidad, el uso de µ como la viscosidad es entendido por una persona de experiencia ordinaria en la técnica .

En una modalidad, el término "sin membrana" es utilizado para describir un dispositivo en donde el agua que va a ser purificada/desalinizada, no involucra el paso de tal agua a través de una membrana. Procesos de sistema de desalinización "sin membrana" de la presente invención pueden involucrar el uso de la membrana, pero el agua que va a ser desalinizada no tiene que pasar a través de la membrana con el fin de ser desalinizada. Sin membrana puede significar que de acuerdo a los procesos de la presente invención, el agua que va a ser desalinizada se hace pasar junto a una membrana o tangencial a una membrana y sufrir desalinización sin pasar a través de la membrana. Éste es en contraste a algunos procesos de filtración convencionales, en donde el agua salada corre a través de una membrana, la sal u otros iones permanecen en la membrana o en la entrada de la membrana, y el agua está emergiendo desalinizada sobre la salida de la membrana después de pasar a través de ésta.

En una modalidad, el agua salobre es el agua que tiene más salinidad que el agua dulce, pero no tanta como el agua de mar. En una modalidad, el agua salobre puede resultar del mezclado del agua de mar con agua dulce como en los estuarios o puede ser encontrada en acuíferos.

En una modalidad, HO es la organización mundial de la salud. En una modalidad, RO significa osmosis inversa. En una modalidad, ED significa electrodiálisis . En una modalidad, ICP significa polarización de concentración de iones.

En una modalidad, cp es una unidad de viscosidad. En una modalidad, cp significa centipoises. En una modalidad, 1 p = lg/(cm segundo) y 1000 cp = 1 p.

II. Dimensiones y valores En una modalidad, un dispositivo de esta invención puede comprender una pluralidad de canales, incluyendo una pluralidad de microcanales, o una pluralidad de conductos, o una combinación de los mismos. En una modalidad, la frase "una pluralidad de canales se refiere a dos de más canales, en otra modalidad, más de 5, o, en otras modalidades, más de 10, 96, 100, 384, 1,000, 1,536, 10,000, 100,000 ó 1,000,000 canales .

En una modalidad, la anchura del microcanal está entre 1-100 µp?, o en otra modalidad, entre 1 y 15 µp?, o en otra modalidad, entre 20 y 50 µta , o en otra modalidad, entre 25 y 75 µp?, o en otra modalidad, entre 50 y 100 µt?. En una modalidad, la anchura del microcanal está entre 1-5 µ??, o en otra modalidad, entre 10 y 20 µp?, o en otra modalidad, entre 0.5 y 10 µp?, o en otra modalidad, entre 10 y 99 µp?, o en otra modalidad, entre 75 y 100 µp?.' En una modalidad, la profundidad del microcanal está entre 0.5-50 µt?, o en otra modalidad, entre 0.5 y 5 µ??, o en otra modalidad, entre 5 y 15 µp?, o en otra modalidad, entre 10 y 25 µp?, o en otra modalidad, entre 15 y 50 µp?. En una modalidad, la profundidad del microcanal está entre 0.5-1.5 µp?, o en otra modalidad, entre 1 y 9 µ??, o en otra modalidad, entre 10 y 20 µ??, o en otra modalidad, entre 10 y 50 µ??, o en otra modalidad, entre 15 y 100 µp?.

En otra modalidad más, la anchura del conducto está entre 1 µ??-50 µp?, o en otra modalidad, entre 1 y 15 µ??, o en otra modalidad, entre 10 y 25 µt?, o en otra modalidad, entre 15 y 40 µ??, o en otra modalidad, entre 25 y 50 µp?. En otras modalidad más, la anchura del conducto está entre 1 µp?-10 µp?, o en otra modalidad, entre 0.1 y 1 µp?, o en otra modalidad, entre 0.5 y 5 µt?, o en otra modalidad, entre 0.01 y 0.1 µp?, o en otra modalidad, entre 25 y 99 µp? En otra modalidad más, la profundidad del conducto está entre 20 - 100 nanómetros, o en otra modalidad, entre 20 y 50 nanómetros, o en otra modalidad, entre 20 y 75 nanómetros, o en otra modalidad, entre 30 y 75 nanómetros o en otra modalidad, entre 50 y 100 nanómetros. En otra modalidad más, la profundidad del conducto está entre 1 - 5 µt?, o en otra modalidad, entre 0.1 y 1 µp?, o en otra modalidad, entre 0.01 y 0.1 pm, o en otra modalidad, entre 10 y 75 µp? o en otra modalidad, entre 25 y 100 µp? En una modalidad, el dispositivo comprende múltiples microcanales de muestras, múltiples microcanales de amortiguador, múltiples conductos o una combinación de los mismos, en donde los múltiples canales están acomodados en un arreglo o con una geometría particular.

En una modalidad, los conductos están perpendicularmente orientados con respecto al menos a uno del primero o de los microcanales de amortiguador. En una modalidad, los conductos están orientados en un ángulo que es diferente de 90 grados. En una modalidad, al menos uno del conducto, al menos uno del primero o de los microcanales de amortiguador o una combinación de los mismos, son lineales. En otra modalidad más, al menos uno de los conductos, al menos uno del primero o de los microcanales de amortiguador o una porción o una combinación de los mismos están curvados. En una modalidad, múltiples arreglos de canal son colocados uno sobre la parte superior del otro en un dispositivo. En una modalidad, tal diseño es denominado como un diseño tridimensional (3D) . En una modalidad, el dispositivo microfluídico que comprende arreglos de canales, comprende una estructura de arreglo tridimensional, y en otra modalidad más, el dispositivo microfluídico que comprende arreglos de canales, comprende una estructura bidimensional . En una modalidad, la estructura bidimensional es una estructura en donde la mayoría o todos los canales están acomodados en un plano. En una modalidad, la estructura bidimensional es una estructura en donde la mayoría o todos los canales están construidos sobre o en la misma superficie. En una modalidad, la estructura tridimensional es obtenida mediante la colocación de varios sustratos, varias superficies o varios dispositivos bidimensionales uno sobre la parte superior del otro. En otra modalidad más, la estructura tridimensional está construida sobre o en una pieza de sustrato, por ejemplo mediante métodos de litografía, grabado al ácido y deposición.

En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 1. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 1-10. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 10-100. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 10-1000. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 1-50. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 50-100. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 1000-10000. En una modalidad, el número de arreglos en un dispositivo es 10000-1000000.

En una modalidad, la longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 10 cm - 30 cm. En una modalidad, la longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 1 cm y 10 cm. En una modalidad, la longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 25 cm - 50 cm. En una modalidad, la longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 50 cm - 100 cm. En una modalidad, lá longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 0.1 cm y 1 cm. En una modalidad, la longitud, la anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 1 cm y 5 cm.

III. Modalidades de la descripción del dispositivo y métodos de operación En una modalidad, el dispositivo utilizado en las modalidades de esta invención es construido como lo muestra el diagrama en las Figuras 1(a). a 1(c). El microcanal de muestra (1-10) es el canal á través del cual se puede' hacer pasar una muestra que comprende una especie cargada. El microcanal de muestra tiene un primer lado que es el lado izquierdo del microcanal de muestra mostrado en las Figuras 1(a) a 1(c) . El microcanal de muestra tiene un segundo lado que es el lado derecho del microcanal de muestra mostrado en las Figuras 1(a) a 1(c) . El primer lado (izquierdo) del microcanal de muestra está conectado al menos a un depósito de muestra. En una modalidad, el depósito de muestra está conectado al microcanal de muestra por medio de un conducto, el cual puede tener las dimensiones del microcanal, o puede tener diferentes dimensiones. En una modalidad, el depósito de muestra es capaz de liberar un fluido o líquido que comprende una especie de interés o especie cargada dentro del microcanal de muestra desde el primer lado. En una modalidad, el fluido o el líquido que entra al microcanal tiene una dirección de flujo inicial del lado izquierdo al lado derecho del microcanal mostrado en las Figuras 1 (a) a Kc) .

En una modalidad, al menos un microcanal de amortiguador o depósito (1-20) es colocado en la cercanía o próximo al microcanal de muestra. En una modalidad, el microcanal de amortiguador o el depósito es rellenado con amortiguador.

En una modalidad, al menos un conducto (1-30) está conectado al microcanal de muestra (1-10) y al menos a un microcanal de amortiguador (1-20) .

En una modalidad, el conducto es elaborado de filtros nanofluídicos planos rellenos con solución amortiguadora. En una modalidad, los filtros nanofluídicos sirven como una membrana selectiva de iones que permiten que los iones seleccionados pasen de un área a otra dentro del conducto. En una modalidad, el movimiento o la migración de los iones dentro del conducto es un resultado de un campo eléctrico inducido en el conducto. En una modalidad, el movimiento o la migración de los iones dentro del conducto, cambia o controla la magnitud de un campo eléctrico en la cercanía del conducto.

En una modalidad, cuando un campo eléctrico es inducido en el conducto, éste afecta una región en el microcanal de muestra que está proximal al conducto. En una modalidad, tal campo eléctrico, genera una zona de ' agotamiento en el microcanal de muestra que está proximal al conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de una región agotada de especies cargadas. En una modalidad, las especies cargadas son empujadas lejos de la zona de agotamiento de iones. En una modalidad, el efecto del campo eléctrico en el conducto es reducir la concentración de iones o especies cargadas en el área proximal al conducto, al forzar a las especies cargadas lejos del área del conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones y la zona desalinizada mostradas en las Figuras 1(a) a 1(c), representan la región en el microcanal de muestra que tiene una menor concentración de especies cargadas, en comparación a la región oscura sobre el lado izquierdo del microcanal de muestra en la cual se acumulan las especies cargadas o los iones. Este proceso es un resultado del campo eléctrico inducido en el conducto. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o la zona desalinizada no tiene especies cargadas. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o la zona desalinizada tiene una baja concentración de especies cargadas. En una modalidad, la zona de agotamiento de iones o la zona desalinizada tiene una concentración de especies cargadas que es menor que la concentración de especies cargadas en el. área o áreas no agotadas o no desalinizadas del microcanal de muestra. En una modalidad, el campo eléctrico inducido en el conducto es denotado EN como se muestra en las Figuras 1 (a) a 1 (c) .

En una modalidad, la inducción del campo eléctrico EN en el conducto, induce la concentración de las especies cargadas de interés dentro de una región del microcanal de muestra, mientras que lo agota de otra región del microcanal de muestra.

En una modalidad, el flujo del fluido en el microcanal desde el primer lado (izquierdo en las Figuras 1(a) a 1(c)) hacia el segundo lado (lado derecho en las Figuras 1(a) a 1(c)) es impulsado por presión. En otra modalidad más, el flujo del fluido desde el primero hasta el segundo lados del microcanal de muestra es inducido por un campo eléctrico. En una modalidad, tal campo eléctrico inducido en el microcanal es denotado ET. En una modalidad, ET es inducido como resultado de una diferencia de potencial entre el primero y el segundo lados del microcanal de muestra. En una modalidad, la diferencia de potencial es lograda mediante la aplicación de un voltaje más alto hacia el primer lado del microcanal y un voltaje más bajo hacia el segundo lado del primer conducto. En una modalidad, el voltaje más alto es denotado VH y el voltaje más bajo es denotado VL. En una modalidad, VH es 60 V y VL es 40 V.

En una modalidad, el flujo es un resultado de la presión y el campo eléctrico aplicados al microcanal de muestra.

En una modalidad, la generación de la región de agotamiento por EN, provoca un flujo del fluido acelerado del lado izquierdo hacia el lado derecho o del primer lado hacia el segundo lado del microcanal de muestra. En una modalidad, EN puede ser utilizado para acelerar el flujo del fluido desde el lado derecho hacia el lado izquierdo o desde el segundo lado hacia el primer lado del microcanal de muestra. En una modalidad, EN depende de su magnitud que puede provocar que un flujo se detenga o puede provocar la reversión o el cambio de la dirección del flujo.

En una modalidad, el método genera una región de agotamiento y un flujo del líquido acelerado dentro del microcanal de muestra, eficientemente debido al flujo electroosmótico no lineal (mucho más fuerte que el flujo electroosmótico normal) generado en el microcanal, el cual jala el fluido hacia el microcanal desde el depósito de muestra con alta velocidad de flujo, y debido a que es generada una barrera de energía para las moléculas aniónicas por la capa de carga espacial inducida en el microcanal, en regiones de oposición a los conductos.

En una modalidad, los dos campos eléctricos separados EN y ET son aplicados al dispositivo, como se muestra en las Figuras 1(a) a 1(c) . El campo en el canal nanofluídico (EN) genera una región de agotamiento de iones (área de color blanco dentro del microcanal de muestra en las Figuras 1(a) a 1(c)) y la capa de carga espacial extendida que atrapa las especies cargadas. . El campo tangencial en el canal microfluídico (ET) , genera el flujo electroosmótico, el cual jala las especies cargadas hacia la región atrapada (coloreado con gradiente oscuro dentro del microcanal de muestra en las Figuras 1(a) a 1(c)) desde el depósito.

En una modalidad, la región de carga espacial es además estabilizada por la manipulación de las condiciones del amortiguador en los dispositivos de la invención. En una modalidad, el dispositivo comprende dos o una serie de dos microcanales de amortiguador, cada uno conectado en un conducto al microcanal de muestra. De acuerdo a esta modalidad, en un curso de tiempo, el agotamiento de iones en el microcanal de muestra conduce al enriquecimiento de iones en el microcanal de amortiguador, de este modo la concentración de amortiguador en el segundo canal microfluídico se incrementa con la conducción prolongada del proceso de separación de especies. Al proporcionar un amortiguador de menor concentración, a los periodos de tiempo prescritos, en una modalidad, o continuamente, en otra modalidad más, mediante electroósmosis , o en otra modalidad, mediante flujo impulsado por presión, en el microcanal de amortiguador, este efecto es mitigado, de acuerdo a esta modalidad.

En otra modalidad más de la invención, el confinamiento de las especies cargadas a regiones en el microcanal de muestra puede ser aumentado por la colocación de los canales nanofluídicos sobre ambos lados del microcanal de muestra y en comunicación fluida con los microcanales de muestra y de amortiguador como se muestra, por ejemplo, en las Figuras 1 (a) a 1 (c) . El inicio del agotamiento de iones en la interfaz entre el microcanal de muestra y el conducto, es aumentado por la colocación de los conductos sobre cualquier lado del microcanal de muestra, y en algunas modalidades, es producida una región de carga espacial más estable .

En una modalidad, el campo eléctrico inducido en el conducto es un resultado de los voltajes aplicados a los microcanales de muestra y de amortiguador. En una modalidad, los voltajes aplicados al microcanal de muestra son VH = 60 V y VL =40V. Los dos microcanales de amortiguador están conectados a tierra sobre ambos extremos como se muestra en las Figuras 1(a) a 1(c). La diferencia de voltaje entre el lado del conducto que está conectado al microcanal de muestra y el lado del conducto que está conectado al microcanal de amortiguador es el resultado de voltajes más altos aplicados al microcanal de muestra con respecto al microcanal de amortiguador. Esta diferencia de voltaje sobre el conducto genera el campo eléctrico en el conducto que a su vez, genera la zona de agotamiento de iones en el microcanal de muestra.

En una modalidad, el flujo puede ser impulsado por presión, y puede ser logrado mediante cualesquiera medios bien conocidos por una persona experta en la técnica. En otra modalidad más, el flujo puede ser un híbrido de flujo electroosmótico o electrocinético impulsado por presión.

En una modalidad, las frases "flujo impulsado por presión" se refiere al flujo que es impulsado por una fuente de presión externa al segmento del canal a través del cual tal flujo es impulsado, en contraste al flujo que es generado a través del segmento de canal en cuestión, por la aplicación de un campo eléctrico a través de ese segmento de canal, que es denominado en la presente, en una modalidad, como "flujo electrocinéticamente impulsado" .

Los ejemplos de fuentes de presión incluyen fuentes de presión negativas y positivas, o bombas externas al segmento de canal en cuestión, incluyendo bombas de presión electrocinéticas , por ejemplo, bombas que generan presión por flujo electrocinéticamente impulsado en un canal de bombeo, que está separado del segmento de canal en cuestión, con la condición de que tales bombas estén externas al segmento de canal en cuestión (ver las Patentes de los Estados Unidos Nos. 6,012,902 y 6,171,067, incorporadas por referencia en la presente, en su totalidad) .

En una modalidad, el término "flujo electrocinético" se refiere al movimiento del fluido o del material llevado por el fluido bajo un campo eléctrico aplicado. El flujo electrocinético en general abarca una o ambas de electroforesis , por ejemplo, el movimiento de las especies cargadas a través del medio o el fluido en el cual es colocado, así como la electroósmosis , por ejemplo, el movimiento eléctricamente impulsado del fluido a granel, incluyendo todos sus componentes. En consecuencia, cuando se hace referencia a términos de flujo electrocinético, se apreciará que lo que se considera es el espectro completo del flujo electrocinético del movimiento predominantemente o sustancialmente electroforático completamente de las especies, al movimiento predominantemente electroosmóticamente impulsado del material, por ejemplo, en el caso del material no cargado, y todos los intervalos y proporciones de los dos tipos de movimiento electrocinético que caigan entre estos extremos .

En una modalidad, la referencia al término "flujo del líquido" puede abarcar cualesquiera o todas las características del flujo del fluido u otro material a través de un pasaje, conducto, o canal o a través de una superficie. Tales características incluyen, sin limitación la velocidad de flujo, el volumen de flujo, el perfil de conformación y dispersión acompañante del fluido que fluye u otro material, así como otras características más generalizadas del flujo, por ejemplo, flujo laminar, flujo crepitante, flujo turbulento, etc.

En una modalidad, el flujo híbrido puede comprender el relevo basado en presión de la muestra líquida dentro de la red de canales, seguido por el movimiento electrocinético de los materiales, o en otra modalidad más, el movimiento electrocinético del líquido, seguido por el flujo impulsado por presión.

En una modalidad, el campo eléctrico puede ser inducido en los canales respectivos por aplicación del voltaje a partir de un suministro de voltaje hacia el dispositivo. En una modalidad, el voltaje es aplicado por medio de la colocación de al menos un par de electrodos capaces de aplicar un campo eléctrico a través de al menos alguno de los canales en al menos una dirección. Los contactos metálicos de electrodo pueden ser integrados utilizando tecnología de fabricación estándar para estar en contacto con al menos un microcanal de muestra o de amortiguador, o en otra modalidad más, al menos un conducto, o en otra modalidad más, una combinación de los mismos, y orientados como tales para establecer un campo eléctrico direccional. La corriente alterna (AC) , la corriente directa (DC) , o ambos tipos de campos pueden ser aplicados. Los electrodos pueden ser elaborados de casi cualquier metal, y en una modalidad, comprenden capas metálicas delgadas de Al/Au, colocadas sobre trayectorias lineales definidas. En una modalidad, al menos un extremo de un electrodo está en contacto con la solución amortiguadora en el depósito.

En algunas modalidades, las porciones de los electrodos son elaboradas de cualquier material conductor. En una modalidad, los electrodos son elaborados de metales, semiconductores impurificados, o materiales orgánicos conductores. En una modalidad, los electrodos son elaborados de una combinación de materiales. En una modalidad, los electrodos son elaborados de oro, carbono, carbono vitreo, carbono pirolítico, Al, Cu, Pd, Pt, Ag, o una combinación de los mismos. En una modalidad, el electrodo comprende mercurio. En una modalidad, los electrodos comprenden soluciones de sal. En una modalidad al menos un electrodo es un electrodo de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl) . En una modalidad, al menos uh electrodo es un electrodo de calomel saturado (SCE) , un electrodo de hidrógeno normal (NHE) , también conocido como un electrodo de hidrógeno estándar (SHE) , un electrodo de cobre-sulfato de cobre (II) o una combinación de los mismos. En una modalidad, al menos un electrodo es un microelectrodo o un ultramicroelectrodo . En una modalidad, se utilizan una pluralidad de microelectrodos. En una modalidad, al menos un electrodo es fabricado como parte del sustrato. De acuerdo a este aspecto y en una modalidad, al menos un electrodo es construido en, sobre, paralelo a, o perpendicular al sustrato del cual es elaborado el dispositivo. En una modalidad, el dispositivo es sellado o cubierto por una superficie plana o curvada. En una modalidad, al menos un electrodo está incrustado en o fabricado dentro o sobre la cubierta o el material sellado, tal que al menos una porción de las interfaces del electrodo con los microcanales de muestra o de amortiguador o con el o los conductos o con una combinación de los mismos.

En otra modalidad más, los métodos de esta invención utilizan al menos dos pares de electrodos. En una • modalidad, los contactos eléctricos adicionales pueden ser utilizados para modular independientemente la dirección y las amplitudes de los campos eléctricos para, en una modalidad, orientar la capa de carga espacial, o en otra modalidad, para mover las macromoléculas a la velocidad o dirección deseada, o en otra modalidad, una combinación de los mismos.

En una modalidad, el voltaje aplicado a cualquiera de los electrodos está entre 50 mV y 500 V. En una modalidad, el voltaje aplicado a cualquiera de los electrodos está entre 50 V y 500 V. En una modalidad, el voltaje aplicado a cualquiera de los electrodos está entre 10 mV y 100 V. En una modalidad, el voltaje aplicado a cualquiera de los electrodos está entre 1 V y 30 V. En una modalidad, el voltaje aplicado a cualquiera de los electrodos está entre 10 V y 40 V. En una modalidad, al menos un electrodo no está conectado y es denominado como un electrodo "flotante" . En una modalidad, al menos un electrodo está conectado a tierra. En una modalidad, en vez de tener un electrodo "flotante" que no está conectado a un circuito eléctrico, la posición en el microcanal que necesita "estar flotante" no está conectada a un electrodo.

En una modalidad, el suministro de voltaje puede ser cualquier fuente eléctrica, que pueda ser . utilizada para proporcionar el voltaje deseado. La fuente eléctrica puede ser cualquier fuente de electricidad capaz de generar el voltaje deseado. Por ejemplo, la fuente eléctrica puede ser una fuente piezoeléctrica, una batería, o un dispositivo energizado por corriente doméstica. En una modalidad, puede ser utilizada una descarga piezoeléctrica proveniente de un encendedor de gas .

En una modalidad, el atrapamiento electrocinético de especies cargadas en el dispositivo y la recolección de muestras, puede ocurrir en un curso de minutos, o en otra modalidad, puede ser mantenido por varias horas. En una modalidad, el agotamiento de una especie desde una región y su acumulación en otra región, en un curso de tiempo, da como resultado factores de concentración de especies tan altos como de 106-108, y en otra modalidad más, pueden ser incluso más altos, después de la optimización de las condiciones empleadas durante la concentración, tal como mediante la modificación de la interfaz entre el microcanal y el conducto, el voltaje aplicado, los voltajes de entrada adicionales aplicados, la concentración de sal del líquido, el pH del líquido, el número, el tamaño y la geometría de los conductos, la geometría del microcanal de muestra o combinación de los mismos.

En otra modalidad más, los métodos de esta invención comprenden además al menos un depósito de desecho en comunicación fluida con el microcanal o microcanales de muestra, el microcanal o microcanales de amortiguador, o el conducto o conductos del dispositivo microfluídico . En una modalidad, el depósito de desecho es capaz de recibir un fluido.

En una modalidad, en vez de o en adición al depósito de desecho, un depósito de recolección está conectado al microcanal de muestra con el fin de recolectar las especies de interés, los iones, la solución desalinizada, el líquido puro o una combinación de los mismos. En una modalidad, el depósito de recolección está conectado al segundo lado del microcanal de muestra y en otra modalidad más, el depósito de recolección está conectado al primer lado del microcanal de muestra. De acuerdo a este aspecto de la invención y en una modalidad, la conexión del depósito de recolección hacia el primer lado del microcanal de muestra es ventajosa en casos donde el flujo del líquido es invertido o cambiado o detenido, y las especies o los líquidos pueden ser recolectados en el primer lado del microcanal de muestra.

En otra modalidad más, el dispositivo, o en otra modalidad, el microcanal o los microcanales son capaces de ser imaginados. La imaginería del dispositivo, o partes del mismo, puede ser lograda al presentarlo a un aparato adecuado para la recolección de señales emitidas, tales como, en algunas modalidades, elementos ópticos para la recolección de luz desde los microcanales.

En una modalidad, el dispositivo puede ser desechable, y en otra modalidad más, puede ser individualmente empaquetado, y en otra modalidad más, puede tener una capacidad de carga de muestra de 1-50,000 muestras de fluido individuales. En una modalidad, el dispositivo puede ser encajonado en un alojamiento adecuado, tal como plástico, para proporcionar un cartucho o cásete conveniente y comercialmente listo. En una modalidad, el dispositivo de esta invención tendrá características adecuadas sobre o en el alojamiento para insertar, guiar, y alinear el dispositivo, tal que, por ejemplo, un compartimiento de carga de muestra está alineado con un depósito en otro dispositivo, que va a ser acoplado al dispositivo de esta invención. Por ejemplo, el dispositivo de esta invención puede ser equipado con ranuras de inserción, guías de deslizamiento, o una combinación de los mismos, u otras adaptaciones para la automatización del proceso de concentración vía un dispositivo de esta invención.

El dispositivo puede estar así adaptado, en una modalidad, para la manipulación de alto rendimiento de múltiples muestras, tales como serán útiles en aplicaciones de desalinización y análisis, como será apreciado por una persona experta en la técnica.

En una modalidad de la presente invención, el dispositivo de esta invención es una parte de un sistema más grande, el cual incluye un aparato para excitar especies dentro de los canales y detectar y recolectar las señales resultantes. En una modalidad, un haz láser puede ser enfocado sobre la región de concentración de las especies de muestra, utilizando una lente de enfoque, en otra modalidad más. La señal luminosa generada de la especie dentro de los microcanales , puede ser recolectada mediante lentes de enfoque/recolección, y, en otra modalidad más, reflejada de un espejo/filtro de paso de banda hacia la trayectoria óptica, la cual puede, en otra modalidad más, ser alimentada hacia una cámara CCD (dispositivo acoplado a carga) .

En otra modalidad más, una fuente de luz de excitación podría ser pasada a través de una caja de espejo dicrónico/filtro de paso de banda y el esquema de enfoque/recolección desde la parte superior del dispositivo de esta invención. Los diversos componentes y dispositivos ópticos pueden ser también utilizados en el sistema para detectar señales ópticas, tales como cámaras digitales, PMTs (tubos fotomultiplicadores) , y APDs (fotodiodos en Avalancha) .

En otra modalidad más, el sistema puede incluir además un procesador de datos. En una modalidad, el procesador de datos puede ser utilizado para procesar las señales desde un CCD, una imagen digital de la especie concentrada sobre una pantalla. En una modalidad, el procesador de datos puede también analizar la imagen digital para proporcionar información de caracterización, tales como las estadísticas de tamaño, histogramas, cariotipos, mapeo, información de diagnóstico y visualización de la información en forma adecuada para la lectura de datos .

En una modalidad, el líquido comprende especies cargadas o no cargadas o una combinación de las mismas. En una modalidad, el líquido comprende, iones, iones complejos, moléculas neutras, moléculas cargadas, grupos de átomos, grupos de partículas, esferas, nanoesferas, moléculas biológicas o fragmentos de las mismas, aminoácidos, péptidos, proteínas, complejos proteicos, enzimas, ADN, vectores, ARN, nucleótidos, lípidos, fosfolípidos , colesterol, mono-, di-, oligo-, o poli-sacáridos, sales orgánicas o inorgánicas, NaCl, KCl, KI, Nal, sales que contienen Ca, iones H+, iones amonio, nitratos, sulfatos, ácidos, bases, electrolitos fuertes, electrolitos débiles y no electrolitos.

En ciertas modalidades de la presente invención, los métodos pueden utilizar un aparato para transportar soluciones o líquidos puros desde los microcanales hacia los depósitos de desecho.

En una modalidad, esta invención proporciona una arquitectura de arreglo que es capaz de ser elevada de escala a al menos 10,000 dispositivos, adecuados para aplicaciones en el mundo real .

En una modalidad, la velocidad del fluido, la desalinización y la eficiencia de bombeo pueden ser determinadas mediante el uso de proteínas o polipéptidos marcados, o marcadores fluorescentes, introducidos dentro de los microcanales o los depósitos en proporciones conocidas, y detectando la concentración de la proteína marcada o de los polipéptidos , o los marcadores fluorescentes utilizando cualquier técnica de detección conocida en la materia tales como UV/Vis o espectroscopia de IR o fluorescencia. La intensidad de la señal puede ser determinada como una función del tiempo, sobre el ruido de fondo.

En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención pueden ser bajo parámetros fisicoquímicos controlados, que pueden comprender la temperatura, el pH, la concentración salina, o una combinación de los mismos.

En una modalidad, el conducto es elaborado de un material permeoselectivo . En una modalidad, el conducto es llenado con fluido. En una modalidad, el conducto es permeable a un tipo de iones y no es permeable a otro tipo de iones. En una modalidad, el conducto es una estructura permeable a los iones H+ . En una modalidad, el conducto puede ser elaborado de un gel cargado o material nanoporoso aleatorio, en donde los grupos cargados están incrustados en el material nanoporoso. En una modalidad, de acuerdo a este aspecto de la invención, el gel cargado o el material nanoporoso pueden tener un tamaño de poro similar. De acuerdo a este aspecto de la invención, una capa de carga espacial puede ser generada en el gel cargado o en el material nanoporoso aleatorio, similar a aquel formado en el conducto como se describe y se ejemplifica en la presente, en donde un campo eléctrico es inducido en el gel cargado nanoporoso o en el material cargado, similar a aquel inducido en el conducto.

En una modalidad, esta invención proporciona una bomba microfluídica que comprende un dispositivo de esta invención, que en una modalidad tiene una velocidad de flujo del líquido de entre 10 µ??/seg y 10 mm/seg.

En una modalidad, dentro del canal nanofluídico delgado, la porción permeoselectiva de las corrientes de iones, provocada por los iones contrarios dentro de la capa de Debye no puede ser ignorada, comparada con la corriente total de iones a través del conducto, por lo tanto, más iones contrarios (de la capa de Debye) que los co- iones migran a través del conducto cuando es aplicado un campo eléctrico, dando como resultado una transferencia neta de cargas (iones contrarios) desde el lado anódico hacia el lado catódico, y un efecto de polarización de concentración. De acuerdo a este aspecto de la invención, el agotamiento de iones cercano al canal nanofluídico, engrosa la capa de Debye, provocando su traslape más significativamente en el canal nanofluídico, acelerando el efecto de polarización de concentración, y por arriba de un cierto valor de umbral de En, da como resultado la electroósmosis con cinética de segundo orden.

De acuerdo a . este aspecto de la invención, el agotamiento de iones contrarios desde el canal nanofluídico, y la creación de una capa de carga espacial extendida en la solución a granel dentro del microcanal de muestra, previene la migración de co-iones en esta región. En una modalidad, el control de los campos eléctricos (EN y ET) , para balancear las dos fuerzas (repulsión de aniones desde la capa de carga espacial vs . el flujo electroosmótico no lineal desde el depósito), estabiliza la interfaz, que es donde las especies aniónicas de interés son atrapadas y recolectadas, de acuerdo a este aspecto de la invención.

En una modalidad, el líquido es una solución. En otra modalidad más, el líquido es una suspensión, la cual, en otra modalidad más es un homogeneizado orgánico, extracto celular o muestra de sangre. En una modalidad, la especie de interés comprende proteínas, polipéptidos, ácidos nucleicos, partículas virales, o combinaciones de los mismos. En una modalidad, la especie de interés es una proteína, ácido nucleico, virus o partícula viral encontrada en, o secretada desde una célula, y en otra modalidad más, es encontrada en cantidades muy pequeñas, tal que ésta representa menos del 10% de la proteína extraída de un extracto de proteína de la célula .

Conductos más delgados de 50 nm demuestran permeoselectividad de iones única a fuerza iónica moderada, debido al hecho de que el espesor de la capa de debye es no despreciable en comparación con el espesor del canal en estos conductos. A menudo estos fenómenos son explicados como el traslape de la capa de .Debye, con la proporción entre (equilibrio) la longitud de Debye y la dimensión del canal como el parámetro crítico. El comportamiento de iones típico es tal que el lado anódico del conducto está casi completamente agotado de especies iónicas, mientras que el enriquecimiento de iones ocurre en el lado catódico del conducto, en algunas modalidades, atribuible a la naturaleza permeoselectiva de los conductos a condiciones de baja fuerza iónica, provocada por el traslape de la capa de Debye en los conductos. De acuerdo a este aspecto de la invención, debido a este gradiente de concentración, el transporte de cationes preferencial a través del conducto es satisfecho a través del sistema completo, mientras que se mantiene el flujo de anión cero neto en el lado catódico.

De acuerdo a este aspecto de la invención, y en una modalidad, típicamente en la membrana permeoselectiva de cara a la solución a granel, existe una capa de difusión fuera de la cual el mezclado por convección elimina cualquier gradiente de concentración, haciendo a la concentración de iones comparable a aquella de la solución a granel. En algunas modalidades, cuando la operación del dispositivo es con una longitud de difusión fija y se incrementa la desviación de corriente directa (DC) , el sistema responde al disminuir la concentración local de iones sobre el lado anódico de la membrana o del conducto. Mientras que se predeciría que cuando esto sucede el sistema alcanza una corriente limitante, por arriba de la cual no es posible ningún incremento adicional en la corriente de iones incluso con voltaje más alto aplicado al sistema, de manera sorprendente, se encontró aquí que la corriente sobrelimitante significativa puede ser observada en la mayoría de las membranas permeoselectivas , y en este caso, la respuesta electrocinética puede ser amplificada debido a la concentración significativamente disminuida, cerca del conducto, por lo tanto mayor potencial zeta "local" .

En algunas modalidades, los métodos de esta invención dan como resultado la aceleración del flujo del líquido en un microcanal. En una modalidad, los métodos de esta invención dan como resultado control del flujo del líquido en un microcanal.

Las Figuras 1(a) a 1(c) son una modalidad de un método de la presente invención en donde el flujo del líquido es acelerado. Como se describe en la Figura 1(a), la polarización de concentración fue iniciada en el microcanal de muestra, y la concentración iónica en el lado anódico (lado izquierdo del microcanal) comenzó a agotarse (zona de agotamiento de iones) como resultado del campo eléctrico normal (EN) a través del conducto. Con la ayuda del campo eléctrico tangencial (ET) , las especies cargadas se acumularon y formaron el tapón preconcentrado (área oscura de gradiente dentro del microcanal de muestra) . Mientras tanto, el microcanal remanente fue principalmente desalinizado y la concentración iónica llegó a aquella del agua casi DI. Debido a la diferencia de conductividad entre la zona del amortiguador y la zona desalinizada , el campo eléctrico dentro de la zona de agotamiento de iones fue amplificado en gran medida y provocó un flujo electrocinético fuerte. Las velocidades de flujo volumétricas con el flujo electrocinético amplificado (AEK) fueron 5 veces más grandes que aquellas con el EOF en equilibrio (ningún EN aplicado) como se muestra en la Figura 1 (b) . El cambio entre los dos modos de flujo (equilibrio EOF y AEK) tomó menos de 1.5 segundos, la cual es una velocidad adecuada para muchas aplicaciones de bombas electrocinéticas aplicadas. El aumento.de la velocidad de flujo bajo el campo EN es también descrito en la Figura 1(c) como una función de la diferencia de voltaje entre los dos extremos del microcanal de muestra. Se mostró que para todas las diferencias de voltaje (VH-VL) hasta 500 V (V por cm es trazado gráficamente) , la velocidad de flujo AEK fue más alta que la velocidad de EOF en equilibrio.

El control del flujo del líquido tiene numerosas aplicaciones en una amplia gama de campo, como será apreciado por una persona experta en la técnica. En una modalidad, los métodos de control del flujo del líquido, y/o los métodos de concentración de una especie de interés pueden ser útiles en dispositivos biosensores . En una modalidad, el control del flujo del líquido es esencial en los biosensores, en donde el flujo y el mezclado de una muestra y diversos reactivos hacia y desde los depósitos en un sistema microfluídico, es requerido. En otra modalidad más, la concentración de una cantidad diminuta de una especie de interés, para la detección, es un elemento crítico de un dispositivo biosensor. En una modalidad, tales métodos son particularmente útiles en la detección de organismos en un estado latente o en esporas, en donde la detección del organismo es de otro modo difícil.

En otras modalidades, diversas aplicaciones de los métodos de la presente invención son posibles sin desviarse de la presente invención. Para el método de control del flujo del fluido, por ejemplo, múltiples microcanales pueden ser así depositados tal que el flujo del fluido es dirigido a un depósito central, al cual pueden ser conectados microcanales adicionales. De acuerdo a este aspecto, el fluido una vez dentro del depósito puede ser luego mezclado, y a su vez, puede ser bombeado a través del segundo grupo de microcanales hacia otro depósito conectado a éstos, para la manipulación posterior. Se puede apreciar que el método de bombeo de la presente invención funciona con diversos tipos de fluidos incluyendo agua y fluidos biológicos.

A manera de ejemplo, los métodos de concentración y bombeo de la presente invención permiten que los sistemas de evaluación robóticos de alto rendimiento se interconecten directamente con los dispositivos de la presente invención, y concentren una especie de interés, y/o bombeen el líquido.

En algunas modalidades, los métodos de esta invención dan como resultado bombeo rápido de un líquido. En una modalidad, esta invención proporciona una bomba microfluídica que comprende un dispositivo de ésta invención, que en una modalidad tiene una velocidad de flujo del líquido de entre 10 m/seg y 10 mm/seg.

En algunas modalidades, los dispositivos de esta invención y los métodos de utilización de los mismos dan como resultado la desalinización de las soluciones deseadas. En algunas modalidades, la desalinización se refiere a la disminución de la concentración de sal por un orden de magnitud. En algunas modalidades, la desalinización se refiere a la reducción de la sal en una solución de escala milimolar a micromolar, en algunas modalidades, o de escala micromolar a nanomolar, en otras modalidades. En algunas modalidades, la desalinización se refiere a la reducción de la sal en una solución, de una concentración milimolar alta a una concentración milimolar baja. En una modalidad, la desalinización se refiere a la reducción de la sal en una solución de 1 mM a menos de 1 mM. En algunas modalidades, las soluciones desalinizadas pueden ser reaplicadas a los dispositivos de esta invención para reducir adicionalmente las concentraciones de sal en la solución.

En una modalidad, la región de gradiente oscuro que contiene las especies cargadas sobre el lado izquierdo del microcanal de muestra, es llamada el tapón de concentración de iones .

En una modalidad, la desalinización puede proceder en dos modos, dependiendo de la diferencia de voltaje entre los dos lados del microcanal de muestra. El bombeo electrocinético amplificado puede ser operado en dos diferentes modos, dependiendo de ET (VH-VL) como se muestra en la Figura 1(c) : En el modo de 'desalinización', la zona de agotamiento el tapón de concentración de iones es mantenido, lo cual hace que el flujo bombeado corriente abajo se vuelva desalinizado . En el modo de 'explosión' (con el campo tangencial más alto) , la zona de agotamiento de iones es interrumpida y los iones y otros solutos contenidos en la solución son liberados, manteniendo la fuerza iónica corriente abajo y los contenidos de biomolécula del flujo bombeado. En el modo de explosión, las velocidades fueron saturadas, pero todavía más altas que EOF en equilibrio. El modo de desalinización puede ser útil para ciertos pasos de accionamiento y pasos analíticos, mientras que el modo de explosión es más aáecuado para bombear fluidos biológicos (tales como los medios de cultivo celular) en sistemas microfluídicos generales. El punto de transición entre los modos de explosión y de desalinización se espera que sea determinado por la convección cercana a la nano-unión (por ejemplo, la compuerta de conexión entre el conducto y el microcanal de muestra) , que es potencialmente controlado por el diseño cuidadoso de las micro-nano uniones. Como se muestra en la Figura 1(c), la velocidad de flujo volumétrico (volumen por tiempo) y la velocidad de flujo (ym/seg) son más altas cuando AEK es inducido por los conductos.

Como se muestra en la Figura 2 (a) y en la Figura 2 (b) , la desalinización de la muestra utilizando el modo de explosión puede ser realizada en los dispositivos de conducto de un solo lado y de lado doble. La Figura 2(a) representa una modalidad en la cual uno o varios conductos de un solo lado son empleados. El canal de muestra 2-10 tiene una entrada para el fluido de muestra, sobre el lado izquierdo. El microcanal de muestra 2-10 está acoplado al canal o depósito de amortiguador 2-20, por una serie de conductos 2-30. VH es aplicado, al primer lado (lado izquierdo) del microcanal de muestra mientras que VL es aplicado a las dos ramificaciones del microcanal de muestra formadas a la salida o en el segundo o lado derecho del microcanal de muestra. Estos dos voltajes (VH y VL) generan un flujo EOF en el canal de izquierda a derecha, o del primer lado hacia el segundo lado del microcanal. Cuando el microcanal de amortiguador 2-20 es eléctricamente conectado a tierra, se forma una diferencia de potencial sobre los conductos 2-30. Esto creará la zona de agotamiento de iones próxima a los conductos como se describe en el inserto A que es una amplificación de la parte central de la Figura 1(a), que incluye el conducto. Como se puede observar a partir del inserto, la zona de agotamiento de iones que es una corriente desalinizada, ocupa la parte inferior del microcanal de muestra. La zona enriquecida en iones que es la corriente salada, ocupa la parte superior del microcanal de muestra. Al conectarse dos canales a la salida del microcanal de muestra o por ramificación del microcanal a las ramificaciones inferior y superior a través de las cuales se puede hacer pasar el líquido, el fluido desalinizado puede ser separado del fluido enriquecido en sal, y posteriormente recolectado o subsecuentemente utilizado. En las Figuras 1(a) a 1(c), la corriente desalinizada es la corriente en donde no existen iones, o existe una baja concentración de iones, y la corriente salada es la corriente en donde existe la alta concentración de iones o todos los iones de la muestra. La Figura 2(b) es una modalidad de un dispositivo de conducto de lado doble, en donde el conducto o conductos 2-30 están conectados al microcanal de muestra 2-10 sobre ambos lados. Los conductos 2-30 están conectados a dos canales de amortiguador 2-20 sobre el otro extremo de los conductos. Tal configuración genera dos zonas de agotamiento dentro del microcanal de muestra, como se muestra en el inserto B de la Figura 2 (b) . De acuerdo a este aspecto y en una modalidad, dos corrientes desalinizadas son recolectadas sobre el lado derecho, sobre el segundo lado o la salida del microcanal de muestra. Una de la parte superior y una de la parte inferior del microcanal . Una corriente salada central es recolectada por una tercera salida o un tercer microcanal, o una tercera ramificación que está conectada a la parte central del microcanal de muestra. Las conexiones de las ramificaciones de salida pueden ser diseñadas en varias formas, dependiendo de la sección transversal del microcanal de muestra. Por ejemplo, si la sección transversal del microcanal de muestra es rectangular, la sección transversal de las ramificaciones de salida puede ser rectangular o cuadrada .

La muestra desalinizada debe ser recolectada a lo largo de la "corriente desalinizada", mientras que la muestra inyectada que contiene los iones o las sal es recolectada de la corriente salada (Figura 2(c)). La verificación experimental del concepto desalinización fue mostrada en la Figura 2(c) . La Figura 1(c) es una imagen de microscopio que muestra el dispositivo de desalinización en acción. Las partículas cargadas, la cuales representan la sal, fueron inyectadas desde el depósito izquierdo hacia el microcanal de muestra 2-10, y cambiaron su trayectoria hacia la pared derecha del microcanal de muestra superior después de cruzar la región del conducto. A lo largo de la corriente desalinizada, no puede existir ninguna partícula debido a la fuerte fuerza de agotamiento del conducto. En este experimento VH fue de 60 V, VL fue 40 V y los extremos del microcanal de amortiguador (2-20) fueron eléctricamente conectado a tierra.

En una modalidad, el proceso de desalinización puede ser logrado en un equipo de microchip, tal que los microcanales y los microconductos como se describen en la presente, están dentro de un microchip. En algunas modalidades, la desalinización en el equipo de microchip reduce al mínimo la pérdida de muestra durante la interconexión chip al mundo, por ejemplo,' vía un ensayo o análisis subsiguiente de la solución o especie de interés en la maquinaria que puede acomodar un microchip.

En algunas modalidades, la concentración de sal como resultado de los métodos/uso de los dispositivos de esta invención es suficientemente baja de modo que puede ser lograda la detección de la muestra MALDI .

En algunas modalidades, los métodos/dispositivo de desalinización para llevar a cabo lo mismo de esta invención, pueden ser controlados por configuraciones externas de campo eléctrico, exclusivamente. En algunas modalidades, la desalinización o el aislamiento de las especies de interés no necesita la incorporación de un sistema mecánico completo.

En algunas modalidades, los métodos/dispositivos de desalinización de esta invención, o los dispositivos/métodos de aislamiento de una especie de interés tienen una alta velocidad de flujo incluso en ausencia de mecanismos adicionales de bombeo mecánico, que en algunas modalidades, es superior a los dispositivos de bombeo electroosmóticos actuales. En algunas modalidades, la alta velocidad de flujo es útil en la preparación de muestra de alto rendimiento para los sistemas de análisis micrototales .

En algunas modalidades, los métodos/dispositivo de desalinización de esta invención, son útiles para la preparación de bombas nanofluídicas , para preparación de muestras de alto rendimiento. En algunas modalidades, los métodos/dispositivos de desalinización, de esta invención son útiles para la preparación de soluciones amortiguadoras desalinizadas para aplicaciones en espectroscopia en masa, por ejemplo, para una especie de interés concentrada y suspendida en tal solución.

En algunas modalidades, los métodos de esta invención dan como resultado la inversión de la dirección del flujo del líquido en un microcanal. En algunas modalidades, los métodos de la invención dan como resultado el cambio o el paro del flujo de líquido en un canal.

En una modalidad, es lograda una reversión de la dirección de un flujo impulsado por presión. Las Figuras 3(a) a 3(c) describen una modalidad, en la ' cual es utilizado un método de esta invención para cambiar la dirección de un flujo impulsado por presión. En la Figura 1(a), se muestra un dispositivo de doble lado con un microcanal de muestra (3-10) acoplado a dos microcanales de amortiguadores (2-30) a través del conducto o conductos (3-30) . Una bomba de jeringa es utilizada para empujar de manera controlable el líquido o el fluido del lado derecho (segundo lado) del microcanal de muestra hacia el lado izquierdo (primer lado) del microcanal de muestra en donde está conectado un sensor a la velocidad de flujo. La Figura 3(c) muestra cuatro etapas en la operación del dispositivo. En la etapa 1, VH=VL=0. En esta etapa únicamente está presente el flujo impulsado por presión, y el sensor de velocidad de flujo detecta un flujo de derecha a izquierda de 100 nL/minuto . En la etapa 2, VH = 30 V y VL = 0. En esta etapa es formado un flujo electrocinético en una dirección opuesta a la dirección de flujo impulsada por la presión (por ejemplo de izquierda a derecha) . El resultado neto de los dos factores disminuye la velocidad de flujo original, y el sensor detecta un flujo de derecha a izquierda únicamente de 50 nL/minutó. En la etapa 3, VH = 60 V y VL = 0. En esta etapa, el flujo electrocinético supera el flujo impulsado por presión, y la dirección de flujo completa es invertida (por ejemplo, la dirección de flujo es ahora de izquierda a derecha) . En la etapa 3, el sensor detecta un flujo de izquierda a derecha de 100 nL/minuto. En la etapa 4, VH = 90 V y VL = 0. En esta etapa, el efecto del flujo electrocinético se vuelve más grande y la velocidad de flujo total es de 150 nL/minuto de izquierda a derecha, que es la dirección opuesta a la presión. Nótese que al retirar el voltaje VH del lado izquierdo del microcanal de muestra la dirección de flujo y la velocidad de flujo pueden regresar al flujo original únicamente impulsado por la presión. El proceso completo es de este modo reversible y controlado. La dirección de flujo puede ser cambiada cíclicamente o de una manera gradual, y un espectro completo de las velocidades de flujo en cada dirección puede ser logrado al cambiar simplemente VH.

La Figura 1(b) es una gráfica de la velocidad de flujo en nL/minuto versus la diferencia de voltaje aplicada al microcanal de muestra. La diferencia de voltaje (VH-VL) es mostrada en unidades de campo como V por cm. En las etapas 1, 2, 3 y 4 descritas anteriormente, están marcadas en la gráfica. En etapas 1 y 2, la dirección de flujo es dictada por la bomba de jeringa y es dirigida de derecha a izquierda. En etapas 3 y 4, la dirección de flujo es dictada por el flujo inducido electrocinético y. es dirigido de izquierda a derecha (los valores de flujo negativo representan la inversión de la dirección de flujo) . Cuando VH es disminuida, la dirección de flujo es cambiada nuevamente. La reversibilidad del proceso puede ser observada a partir de la gráfica cíclica, en donde la flecha con dirección hacia abajo representa un incremento en el flujo electrocinético y en donde la flecha con dirección hacia arriba representa la disminución del valor de VH y el cambio de la dirección de flujo nuevamente a la dirección controlada por la presión, por ejemplo de derecha a izquierda. Las dos gráficas cíclicas subsiguientes en la Figura 2 (b) corresponde a los procesos en donde la concentración de iones de la muestra era diferente, afectando de este modo el voltaje de cambio de la dirección de flujo. Concentraciones más altas de iones de la muestra requirieron más altos voltajes VH para ser aplicados para el cambio de la dirección de flujo.

Los métodos de esta' invención pueden emplear diversas configuraciones de un dispositivo. Los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención pueden tener diferentes características, diferentes dimensiones, diferente número de microcanales y conductos, diferentes entradas y salidas y diversos depósitos o recipientes de muestra, de amortiguador, de recolección y desechos.

En una modalidad, un método de esta invención utiliza un dispositivo que tiene dos áreas de conductos separadas y dos microcanales de amortiguadores separados. La figura 4 (a) es un diagrama esquemático de los dispositivos de multi-nanouniones diseñados para alcanzar más altas velocidades de flujo. Las nanouniones en este contexto son las áreas de conexión o acoplamiento del microcanal de muestra con los conductos. En la fase 1, el fluido fue bombeado mediante aplicación de Vi al primer microcanal de amortiguador (4-20) . Una zona de agotamiento de iones fue creada y se inició al bombeo. En la fase 2, V2 aplicado al segundo microcanal de amortiguador (4-40) fue ajustado por debajo de Vi, mientras que Vx fue mantenido. Los valores para los voltajes fueron mantenidos como sigue: (VH>VL>V1>V2) . La función combinada de Vx y V2 una velocidad de flujo más alta que la fase 1, la velocidad obtenida en la fase 1. En una modalidad, más de dos canales de amortiguador y/o más de dos nanouniones son utilizados. En una modalidad, se utilizan 10 nanouniones. En una modalidad, el número de nanouniones utilizadas en el mismo microcanal de muestra está en el intervalo de 1 a 10. En una modalidad, el número de nanouniones utilizados sobre el mismo microcanal de muestra está en el intervalo de 10 a 100. En una modalidad, el número de . nanouniones utilizadas en el mismo microcanal de muestra, está en el intervalo de 5 a 15. En una modalidad, el número de nanouniones utilizadas en el mismo microcanal de muestra, está en el. intervalo de 1 a 5.

La Figura 4 (b) representa una modalidad de un método que comprende el uso de canalizar masivamente en paralelo los dispositivos para aplicaciones de alto rendimiento. Los fluidos que vienen de cada uno de los microcanales de muestra (4-10) que están todos conectados por conductos separados (4-30) fueron fusionados en un microcanal de muestra.

En una modalidad, la superficie del microcanal ha sido funcionalizada para reducir o aumentar la adsorción de las especies de interés hacia la superficie. En otra modalidad más, la superficie del conducto y/o el microcanal ha sido funcionalizada para aumentar o reducir la eficiencia de operación del dispositivo. En otra modalidad más, el potencial de compuerta externa es aplicado al substrato del dispositivo, para aumentar reducir la eficiencia de operación del dispositivo. En otra modalidad más, el dispositivo está comprendido de un material transparente. En otra modalidad más, el material transparente es Pyrex, dióxido de silicio, nitrato de silicio, cuarzo o SU-8.

En otras modalidades, los dispositivos de separación corriente abajo, que pueden interconectarse con los microcanales de muestras de la invención, incluyen, pero no están limitadas a, columnas cromatográficas líquidas de alto rendimiento, micrométricas , por ejemplo, de fase inversa, de intercambio de iones y columnas de afinidad.

Se debe entender que la configuración exacta de cualesquiera sistemas, dispositivos, etc., que están acoplados corriente abajo de los microcanales de muestra, tienen que ser considerados como parte de esta invención, y que la configuración puede ser variada para adecuarse a una aplicación deseada. En una modalidad, un modulo para la separación de los péptidos , concentrados es colocado corriente abajo del dispositivo de concentración, comprende un medio de separación y un capilar entre los extremos de los cuales es aplicado un campo eléctrico. El transporte de un medio de separación en el sistema capilar y la inyección de la muestra que va a ser probada (por ejemplo, una banda de muestra que comprende péptidos y/o polipéptidos parcialmente digeridos) dentro del medio de separación, puede ser llevado a cabo con la ayuda de bombas y válvulas, o en otra modalidad, por medio de campos eléctricos aplicados a diversos puntos del capilar.

En otra modalidad, el método es utilizado para detectar las especies de interés cuando las especies están presentes en el líquido a una concentración que está por debajo de un límite de detección.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para disminuir la concentración de sal o para desalinizar una solución, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende iones salinos provenientes de una fuente en un dispositivo microfluídico que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende la especie cargada desde un primer lado hacia un segundo lado; iii. al menos un microcanal de amortiguador o depósito que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; y • inducir el flujo del líquido impulsado por gravedad en el microcanal de muestra, con lo cual el flujo está introduciendo el líquido dentro del dispositivo a través del microcanal de muestra; y • inducir un campo eléctrico del conducto, con lo cual ocurre el agotamiento de iones salinos en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, y con lo cual los iones salinos son confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto.

En una modalidad, en tales dispositivos operados por gravedad, no existe energía adicional necesaria para la distribución de la muestra, de manera contraria a los sistemas convencionales RO o ED.

En una modalidad, esta invención proporciona un método para disminuir la concentración de sal o para desalinizar una solución, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende iones salinos provenientes de una fuente en un dispositivo microfluídico que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende la especie cargada desde un primer lado hacia un segundo lado; iii. al menos un microcanal de amortiguador o depósito que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos, en donde la unidad es operada por una celda fotovoltaica/solar; y inducir el flujo de líquido en el microcanal de muestra con lo cual el flujo está introduciendo el líquido dentro del dispositivo a través del microcanal de muestra; y inducir un campo eléctrico del conducto, con lo cual ocurre el agotamiento de iones salinos en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, y con lo cual los iones salinos son confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto.

De acuerdo a este aspecto y una modalidad, en tales dispositivos operados por celda solar el proceso de desalinización ICP es energizado por una celda fotovoltaica (por ejemplo, una celda solar) . Una de las características más significativas de la desalinización ICP es el bajo consumo de energía, que significa que la energía de operación puede ser suministrada ya sea por una batería recargable o por celdas fotovoltaicas . La celda fotovoltaica actual puede producir en promedio aproximadamente. 25 mw/cm. Con esta eficiencia, el área total de la celda fotovoltaica debe ser de aproximadamente 2700 cm2 (2250 iV¡ X 3X104/25 mw/cm2) con el fin de energizar 300 mL/min de operación. Este tamaño (aproximadamente 50 cm X 50cm) de la celda fotovoltaica flexible necesario, es adecuado para un sistema portátil, el cual haría a' este sistema de desalinización portátil, energizado por la energía solar.

En una modalidad, esta invención proporciona . un método para disminuir la concentración de sal o para desalinizar una solución, el método comprende los pasos de: • introducir un líquido que comprende iones salinos provenientes de una fuente en un dispositivo microfluídico que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende la especie cargada desde un primer lado hacia un segundo lado; iii. al menos un microcanal de amortiguador o depósito que comprende un amortiguador; iv. al menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador; y v. al menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; y inducir un campo eléctrico a través del conducto, con lo cual ocurre el agotamiento de iones salinos en el microcanal de muestra, en una región próxima al conducto, y con lo cual los iones salinos son confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto .

En una modalidad, la introducción del líquido dentro de una fuente hacia el dispositivo fluídico comprende una unidad de inducción de presión, una unidad de inducción de flujo electroosmótico, una unidad de alimentación por gravedad o una combinación de las mismas.

En una modalidad, el dispositivo fluídico comprende además un segundo substrato colocado proximalmente a o adherido al primer substrato o a una porción del mismo. En una modalidad, el líquido que comprende la sal es agua de mar .

En una modalidad, el método es utilizado para desalinizar agua de mar para beber. En una modalidad, el canal fluídico de muestra es un microcanal . En una modalidad, el canal fluídico de muestra comprende además una primera salida para la solución con baja concentración de sal, y una segunda salida para la solución con alta concentración de sal. En una modalidad, la primera salida para la solución con baja concentración de sal está conectada a la zona de agotamiento de iones en el canal de muestra, y la segunda salida para la solución con alta concentración de sal, está conectada a la región que está distante del conducto termoselectivo en donde están confinados los iones salinos.

En una modalidad, el campo eléctrico en el canal · de muestra y a través del conducto termoselectivo, es generado por la aplicación de un voltaje más alto al canal de muestra, y un voltaje más bajo al canal amortiguador o al depósito de amortiguador. En una modalidad, el voltaje más alto, el voltaje menor o una combinación de los mismos son voltajes positivos. En una modalidad, el voltaje positivo está entre 50 mV y 500 V. En una modalidad, el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo es logrado al conectar eléctricamente a tierra el canal de amortiguador. En una modalidad, el campo eléctrico del conducto termoselectivo es generado por aplicación de un voltaje más alto hacia el lado del conducto que está conectado al canal de muestra, y un voltaje más bajo hacia el lado del conducto que está conectado al canal de amortiguador. En una modalidad, el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo es aplicado al conectar eléctricamente a tierra el microcanal de amortiguador o el depósito conectado al conducto permeoselectividad.

En una modalidad, el voltaje más alto es el resultado de los tres voltajes aplicados al primer lado, al segundo lado, y a la entrada del canal de muestra. En una modalidad, el voltaje más alto es el resultado de los voltajes aplicados al primer lado y al segundo lado de los canales de muestra. En una modalidad, en donde el canal de muestra está dividido en dos canales (para las corrientes desalinizadas y saladas), el voltaje más alto en la intersección del microcanal y el conducto termoselectivo, es un resultado del voltaje en la entrada (primer lado) del canal de muestra, y los voltajes en las dos salidas (dos "segundos lados") del microcanal de muestra. En una modalidad, los tres voltajes son iguales y (cuarto) voltaje en el canal de amortiguador/depósito es cero (el canal está conectado a tierra) . En una modalidad, el voltaje más alto tiene un valor intermedio que cae entre los valores de los dos voltajes aplicados al primer lado y al segundo lado del canal de muestra.

En una modalidad, el campo eléctrico es inducido por la aplicación de un voltaje del intervalo de entre 50 mV y 500 V hacia el primer lado del microcanal de muestra, y el segundo lado del microcanal de muestra (o al primer lado y a los dos "segundos lados") si el canal es dividido a las corrientes salada y desalinizada) y al conectar eléctricamente a tierra el microcanal de amortiguador.

En una modalidad, el dispositivo como es ilustrado en las Figuras 10(a) a 10(b) tiene canales de muestra con una entrada y dos salidas y un canal de amortiguador. En una modalidad, la entrada corresponde al "primer lado" y las dos salidas corresponden al "segundo lado" para las modalidades donde el primero y segundo lado son discutidas, y en donde el segundo lado está dividido hacia los dos canales.

En una modalidad, la entrada es el primer lado. En una modalidad, el "segundo lado" o la salida o salidas forman el canal salado y el canal desalinizado . De acuerdo a este aspecto, los canales salados y desalinizados son referidos como salidas y como "segundos lados" del canal.

En una modalidad, la anchura del canal de muestra, el canal de amortiguador o una combinación de los mismos es de 1 a 1000 µp?. En una modalidad, la profundidad del canal de muestra, el canal de amortiguador o una combinación de. los mismos está entre 0.5 - 500 µ?t?.

En una modalidad, la anchura el conducto está entre 100 - 4000 nanómetros. En una modalidad, la anchura del conducto está entre 1 - 100 micrómetros En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 20 - 100 nanómetros. En una modalidad, la profundidad del conducto está entre 1 - 100 micrómetros .

En una modalidad, el conducto comprende un nanocanal o un material nanoporoso con el fin de poseer permeoselectividad . De acuerdo a este aspecto y en una i modalidad, el conducto mismo tiene las dimensiones de 1 -1000 µp? de anchura y 1~1000µ?? de profundidad, y con grandes poros de tamaño nanométrico (o comprende nanocanales) que tienen las dimensiones de 1-100 nm (ya sea (forma cilindrica) o longitud /anchura* de un lado (forma rectangular) .

En una modalidad, el conducto comprende un nanocanal. En una modalidad, el conducto comprende numerosos nanocanales. En una modalidad, el conducto comprende un gran número de nanocanales. En una modalidad, el conducto comprende un grupo de nanocanales.

En una modalidad, el conducto comprende un material permeoselectivo ba'sado en polímero. En una modalidad, el material permeoselectivo basado en polímero comprende Nafion, Teflón, hidro'gel . En una modalidad, el material permeoselectivo basado en polímero que comprende material selectivo de cationes o un material selectivo de aniones. En una modalidad, el conducto comprende una unión eléctrica que es preferentemente conductora a los iones positivos o a los iones negativos.

En una modalidad, la superficie del canal de muestra ha sido funcionalizada para reducir la adsorción de especies de interés hacia la superficie. En una modalidad, la superficie del conducto y/o el primero, segundo o canal' de amortiguador ha sido funcionalizado para aumentar la eficiencia de operación del dispositivo.

En una modalidad, es aplicado un voltaje de entrada externo al sustrato del dispositivo, para aumentar la eficiencia de operación del dispositivo. En una modalidad, el canal de muestra, el canal amortiguador, el conducto o combinación de los mismos, son formados mediante litografía gravado al ácido o procesos de moldeo con plástico.

En una modalidad, el dispositivo está comprendido de un material transparente. En otra- modalidad más, el dispositivo está comprendido de un material no transparente. En una modalidad el uso de un material transparente es para la imaginería de la operación del dispositivo. En una modalidad, el uso del material transparente es para análisis. En una modalidad, el material transparente es pyrex, dióxido de silicio, nitruro de silicio, cuarzo o SU-8.

En una modalidad, el dispositivo es recubierto con un material de baja autofluorescencia . En una modalidad, el dispositivo es acoplado a una bomba de jeringa o una bomba gravitacionalmente operada. En una modalidad, el dispositivo es acoplado a un sensor, sistema de separación, sistema de detección, sistema de análisis o combinación de los mismos. En una modalidad, el sistema de detección comprende una fuente de iluminación, una cámara, una computadora, un luminómetro, un espectrofotómetro o una combinación de los mismos .

En una modalidad, la velocidad del flujo del líquido en el microcanal de muestra es entre 10 pm/sec y 10 mm/sec. En una modalidad, el dispositivo comprende múltiples canales de muestra, múltiples canales de amortiguador, múltiples conductos o combinaciones de los mismos. En una modalidad, los múltiples canales conductos o combinaciones de los mismos están acomodados con una geometría particular o en un arreglo. En una modalidad, el arreglo comprende al menos 100 canales de muestra, al menos 100 canales de amortiguador y al menos 100 conductos. En una modalidad, la geometría o el arreglo comprende una orientación perpendicular de los canales con respecto a los conductos.

En una modalidad, la longitud, anchura o la altura del dispositivo, o una combinación de los mismos está en el intervalo de entre 10 cm a 30 cm.

En una modalidad, la velocidad de flujo volumétrico del líquido es al menos 100 mL/min. En una modalidad, la velocidad de flujo volumétrico del líquido está en el intervalo de entre 60-100 L/min. En una modalidad, la energía eléctrica necesaria para la operación del dispositivo está en el intervalo de entre lOw a lOOw. En una modalidad, el flujo a través del canal de muestra es continuo.

En una modalidad, los dispositivos de desalinización de esta invención no utilizan un campo inducido electroosmótico, sino más bien el fluido es introducido al dispositivo mediante presión, utilizando gravedad, mediante una bomba de presión, una jeringa o cualquier otro mecanismo inductor de presión o inductor de flujo. En una modalidad, un elemento mayor del dispositivo es la presencia de una nanounión permeoselectiva o "conducto" ) entre dos canales de fluido, tal que con la aplicación de un campo eléctrico a través del conducto se induce el agotamiento de iones (o ambos) de los canales, que es luego utilizado para desalinizar al menos uno de las corrientes de fluido.

En otra modalidad más, es aplicado un segundo campo eléctrico al canal de fluido de muestra con el fin de inducir el flujo del fluido en el canal. En una modalidad, el canal de fluido de muestra tiene una anchura o una profundidad, o ambas en el intervalo micrométrico . En una modalidad, la anchura/profundidad del canal está en el intervalo entre 1 micrómetro y 1000 micrómetros, o entre 1 micrómetro y 10,000 micrómetros .

IV. Modalidades de los métodos de la invención En una modalidad, el método esta adaptado para la evaluación de biomoleculas. En una modalidad, mientras está en un dispositivo microfluídico, la concentración de sal de una solución en la cual están presentes las biomoleculas, es reducida mediante los métodos de esta invención. En una modalidad, la concentración de sal en especies cargadas es reducida en una porción del dispositivo microfluídico antes de mezclarse con una solución que contiene la biomólecula o la sustancia de interés que está localizada en otra porción del dispositivo. En una modalidad, cuando la solución de la biomólecula está mezclada con la solución desalinizada, puede ser iniciar una reacción química. En una modalidad, el mezclado ayuda a preservar la biomólecula. En una modalidad, el mezclado de la solución de la molécula con la solución desalinizada incrementa la estabilidad de la biomólecula. En una modalidad, al mezclar la solución de la biomólecula con la solución desalinizada, se incrementa la vida en anaquel de la solución de la biomólecula . En una modalidad, el mezclado de la solución de la biomólecula con la solución désalinizada activa un marcador fluorescente en la sal de la micromólecula . En una modalidad, tal mezclado cambia el pH de la solución de la biomólecula. En una modalidad, el mezclado cambia el color de la solución. De acuerdo a este aspecto y en una modalidad, el mezclado cambia la respuesta espectroscópica de la solución. En una modalidad, la respuesta espectroscópica cambiada está en la región IR. En una modalidad, la respuesta espectroscópica está en la región UV/VIS. En una modalidad, el mezclado provoca una precipitación de una o más sustancias presentes en la solución de la biomólecula. En una modalidad, el mezclado de la solución désalinizada con la solución que contiene la biomólecula, provoca la disolución de una sustancia sólida que está presente en contacto con la solución de la biomólecula. En una modalidad, el mezclado con la solución désalinizada diluye la solución. En una modalidad, la solución diluida es necesaria para la evaluación, diagnósticos, síntesis, o para la inyección a un sujeto o para otro uso médico. En una modalidad, el mezclado prepara la biomólecula para un ensayo. En una modalidad, el mezclado prepara la biomólecula para el análisis. En una modalidad, la solución desalinizada es así diluida al nivel del agua pura. En una modalidad, la dilución de la solución produce agua des - ioni zada , agua con muy baja conductancia eléctrica, agua con resistencia eléctrica igual o mayor de 18Mohm. El agua con concentración de sal menor de ????µ?. En una modalidad, el agua purificada con las propiedades anteriormente mencionadas se utiliza para diluir una solución o una molécula de interés. En una modalidad, el agua purificada es utilizada para disolver una sustancia sólida. En una modalidad, el agua purificada se utiliza para enjuagar o limpiar partes del dispositivo microf luídico , y para enjuagar o limpiar materiales o soluciones^ en el dispositivo. En una modalidad, tal agua purificada se utiliza para procedimientos de extracción que tienen lugar dentro del dispositivo microf luídico . En una modalidad, la extracción es un método para separar compuestos con base en sus solubilidades relativas en dos diferentes líquidos no miscibles, usualmente agua y un solvente orgánico. En una modalidad, una sustancia es extraída de una fase líquida hacia otra fase líquida.

En una modalidad, el método esta adaptado para la síntesis en la escala micrométrica . En una modalidad, la síntesis en la escala micrométrica comprende la síntesis utilizando volúmenes en el intervalo de microlitros. En una modalidad, la síntesis en la escala micrométrica comprende reactores, bio-reactores, la síntesis, y/o tubos de muestra, canales o conductos que tienen al menos una dimensión en el intervalo entre 1 micrómetro y 1000 micrómetros. En una modalidad, la síntesis en la escala micrométrica o la micros íntes is es denominada como síntesis a pequeña escala, síntesis en donde cantidades pequeñas de reactivos son utilizados, y están siendo producidas pequeñas cantidades de producto. En una modalidad, tal síntesis es dirigida hacia materiales costosos, materiales sensibles, materiales raros, materiales peligrosos, productos de alta pureza, productos medicinales, fármacos, materiales inestables o derivados de los mismos.

En una modalidad, el método esta adaptado para el análisis químico o biológico. En una modalidad, los métodos de esta invención proporcionan flujo acelerado, bombeo de flujo, cambio de flujo, desalinizacion de fluido y dilución de fluido que pueden ayudar en el . análisis químico y biológico.

En una modalidad, el bombeo y la aceleración del flujo del fluido reduce el tiempo necesario para el análisis. En una modalidad, la reducción del tiempo también reduce el costo del análisis. En una modalidad, la aceleración del flujo de la muestra hace posible llevar a cabo el análisis de materiales inestables o sensibles, materiales que se deterioran o se descomponen después de un cierto periodo de tiempo. En una modalidad, el bombeo y la aceleración del flujo del fluido da como resultado un análisis más eficiente. En una modalidad, los mecanismos de bombeo de esta invención pueden ser utilizados para retirar el fluido de muestra de sitios de otro modo inaccesibles. En una modalidad, tal bombeo puede ser utilizado para retirar fluidos de un sujeto para el análisis medicinal. En una modalidad, tal bombeo puede ser utilizado para retirar fluidos de los sitios ambientales para el análisis ambiental. En una modalidad, tal bombeo puede ser utilizado para retirar fluidos de una muestra peligrosa para el análisis. En una modalidad, el retiro del fluido mediante mecanismos de bombeo de esta invención puede ser realizado remotamente mediante la aplicación remotamente de voltajes hacia un dispositivo de esta invención. En una modalidad, el análisis remoto es benéfico para explosivos, productos químicos peligrosos, agentes biológicos, materiales tóxicos o para el bombeo de fluido hacia un dispositivo transplantado.' En una modalidad, los métodos de esta invención proporcionan aceleración del flujo y bombeo del flujo para proceder en dispositivos con bajo consumo de energía.

En una modalidad, la habilidad para cambiar la dirección del flujo y para detener el flujo mediante los métodos de esta invención, puede encontrar usos en el análisis. En una modalidad, la detención de un flujo o el cambio de dirección del flujo pueden controlar un procedimiento de análisis. En una modalidad, los procedimientos pueden ser controlados mediante el inicio o terminación de un paso de análisis que involucra la transferencia de la muestra de fluido desde una área hacia otra o desde un módulo de análisis hacia otro En una modalidad, cambiar o detener eléctricamente el flujo del fluido elimina la necesidad para bombas fluidas mecánicas que simplifican la técnica de análisis.

En una modalidad, la desalinización o dilución del fluido de una muestra líquida puede ser lograda utilizando los métodos de esta invención. En una modalidad, desalinización o la dilución es importante para el análisis en el cual se requiere la baja concentración de una especie. En una modalidad, la desalinización o la dilución es importante para el análisis de una especie eléctricamente neutra que necesita estar presente en una solución diluida o desalinizada para el análisis preciso. Los ejemplos son para las técnicas de análisis en las cuales la concentración de la especie, o la concentración de las especies cargadas acompañantes, afectan el resultado del análisis y son, entre otras, espectroscopias, cromatografía, técnicas de análisis superficial y de electro química para materiales secos. En una modalidad, la desal ini zac ión y/o dilución de las muestras líquidas mediante los métodos de esta invención produce la pureza deseada de la muestra, necesaria para la detección o el análisis.

En una modalidad, el método está adaptado para el muestreo o el diagnóstico. En una modalidad, como se describe anteriormente, la aceleración del bombeo y del flujo puede ser utilizada para el muestreo eficiente de fluidos. En una modalidad, el primer lado del microcanal de muestra está conectado a un depósito de muestra o cualquier otra fuente de muestra fluida, y mediante la aplicación de un voltaje a ambos lados del microcanal y hacia el microcanal de amortiguadores el fluido es retirado hacia el microcanal desde la fuente de la muestra, permitiendo que sea llevado a cabo el muestreo. En una modalidad, tal muestra puede ser transferida mediante los métodos de esta invención a través del segundo lado del microcanal hacia un sitio de análisis para el diagnóstico.

En una modalidad, el método está adaptado a dispositivos implantados donde se requiere la inyección o el bombeo rápido de una solución hacia dentro o hacia fuera del dispositivo. En una modalidad, tal dispositivo implantado puede ser operado remotamente. En una modalidad, tal dispositivo implantado puede hacer utilizado para el muestreo de giros corporales en una base regular. En una modalidad, el dispositivo implantado que funciona de acuerdo a los métodos de esta invención puede ser utilizado para liberar fármacos en dosis precisas y a tiempos precisos hacia la corriente sanguínea de un paciente o hacia un tejido.

En una modalidad, el método está adaptado para el bombeo de cantidades minúsculas del fluido en áreas ambientalmente secas, bajo condiciones experimentales secas, bajo condiciones extremas de temperatura, presión y humedad y a partir de fuentes de muestra muy pequeñas .

En una modalidad, el método está adaptado para la preparación de agua pura. En una modalidad, el agua pura es agua en la cual la concentración de electrolitos es cero. En una modalidad, el agua pura es agua en donde la concentración de electrolitos es muy baja. En una modalidad, el agua pura es agua con muy alta resistividad eléctrica. En una modalidad, el agua purificada es agua que es físicamente procesada para eliminar las impurezas. En una modalidad, la alta pureza de la concentración de los contaminantes en trazas en el agua purificada es medida en partes por millones (ppb) o partes por trillones (ppt) . La eliminación de los iones provoca que se incremente la resistividad del agua, proporcionando una medición conveniente para el grado exacto de desionización. El' agua deionizada ultra pura tiene una resistividad máxima teórica de 18.31 MQ«cm y una conductividad mínima teórica de .0545 microsiemens/cm, en comparación alrededor de 15 kü«cm y 70 microsiemens/cm para el agua de la llave. En una modalidad, el agua pura utilizada por los métodos de esta invención tiene un valor de resistividad en el intervalo de 15 kQ»cm y 18.31 ?O · cm .

La Sociedad Norte Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) , y El Comité Nacional para los Estándares de Laboratorio Clínico (NCCLS) , clasifican el agua purificada en tipos I-III dependiendo del nivel de pureza. Las características de agua purificada tipo I-III se resumen en seguida.

Niveles de Contaminantes Máximos en el agua purificada tipo I-III.

En una modalidad, el agua purificada, producida mediante los métodos de la invención es utilizada para beber. En una modalidad, métodos de esta invención utilizan dispositivos con arreglos de microcanales de muestra, que operan en paralelo, dentro de los cuales es introducida el agua de mar. En una modalidad, la salida o el segundo lado del microcanales de muestras están conectados a un canal o tubo de corriente desalinizada y a un canal o tubo de corriente salada. En una modalidad, la corriente desalinizada es dirigida hacia el canal desalinizado . En una modalidad, las corrientes desalinizadas provenientes de todos los microcanales de muestra son conectadas a un recipiente de recolección. En una modalidad, el recipiente de recolección es llenado con agua para beber que sale del segundo lado del microcanal de muestra. En una modalidad, pueden ser utilizados los métodos de esta invención para preparar agua potable en áreas donde el agua potable es escasa. En una modalidad, tales métodos pueden ser utilizados para eliminar contaminantes o iones peligrosos o especies cargadas del agua, para mejorarla para bebida segura. En una modalidad, la preparación del agua potable comprende la eliminación de los iones o especies cargadas que deterioran el sabor o el olor del agua.

En una modalidad, los métodos de esta invención están dirigidos a la operación de baja energía. En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención consumen energía en el intervalo de 10 w hasta 100 w. En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención consumen energía en el intervalo de 100 w a 1000 w. En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención consumen energía en el intervalo de entre 1000 w hasta 10000 w. En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención consumen energía en el intervalo de entre 10 w hasta 50 w. En una modalidad, los dispositivos utilizados en los métodos de esta invención consumen energía en el intervalo de entre 50 w hasta 100 w. En una modalidad, la desalinización del agua para beber consume mucho menos energía que otras técnicas de desalinización tales como la destilación y la osmosis inversa. En una modalidad, los métodos de desalinización de esta invención utilizan sistemas compactos y no requieren filtros pesados o cilindros o materiales de intercambio iónico pesados. En una modalidad, los dispositivos de desalinización son utilizados por los métodos de esta invención pueden ser utilizados repetidamente. En una modalidad, tales dispositivos no necesitan partes de reemplazo y no requieren alto mantenimiento.

En una modalidad, esta invención proporciona dispositivos de unidad micro/nanofluídica de pequeña escala que utilizan el fenómeno ICP que fue demostrado para dar desalinización directa sin membrana del agua de mar. El sistema propuesto aquí tiene varias características únicas y atractivas para aplicaciones de desalinización del agua de mar. De manera más . importante, ésta puede eliminar cualesquiera especies cargadas, en el intervalo de tamaño de iones salinos pequeños hasta partículas/células sin sufrir de obstrucción y taponamiento de la membrana en los métodos convencionales que involucran el paso de la solución que va a ser desalinizada a través de una membrana. Esto puede reducir significativamente la complejidad y el costo de la desalinización de agua directa de mar. De manera contraria a las tecnologías ED o RO, las partículas y las sales son retiradas de la nanounión crítica y reencaminadas hacia una corriente diferente de manera continua, previniendo inherentemente la obstrucción y el taponamiento de la nanounión. Esto hace posible la operación robusta a largo plazo sin la necesidad para limpiar/intercambiar las membranas. La tecnología presentada hace posible la desalinización de agua de mar directa, en un sistema que no requiere elementos de bombeo o de recirculación a alta presión. Las técnicas de la presente invención pueden ser realizadas en una unidad portátil pequeña con bajo consumo de energía, con la posibilidad de operación energizada por batería. Por lo tanto, esto es adecuado para la desalinización de agua de mar en áreas azotadas por los desastres/pobreza, donde las infraestructuras necesarias están carentes para la operación de sistemas de desalinización a gran escala. Esta tecnología puede volverse una alternativa de alta eficiencia para ED o RO.

En una modalidad, esta invención proporciona los sistemas y métodos para purificar agua u otros solventes que pueden encontrar aplicaciones en técnicas analíticas tales como cromatografía (por ejemplo, HPLC y GC) , en preparaciones de muestra de espectrometría de masa, en técnicas electroquímicas, en separaciones electroquímicas, en microfluídicos ( como un sustituto para filtros o membranas en cualquier industria que requiera agua pura o solventes puros. En una modalidad, esta invención propone sistemas y métodos para desalinización y para purificación de agua. En una modalidad, la purificación de agua mediante los sistemas o métodos de la presente invención son utilizados para beber y/o para otros propósitos domésticos.

En una modalidad, el término "un" o "uno" o "una" se refieren al menos a uno. En una modalidad, la frase "dos o mas" puede ser de cualquier denominación, la cual se adecuará a un propósito particular. En una modalidad, "aproximadamente" puede comprender una desviación del término indicado de + 1 % , o en algunas modalidades, - 1 %, o en algunas modalidades, ± 2.5 %, o en algunas modalidades, ± 5 % , o en algunas modalidades, + 7.5 %, o en algunas modalidades, + 10 %, o en algunas modalidades, ± 15 %, o en algunas modalidades, ± 20 %, o en algunas modalidades, + 25 %.

Diversos modos para llevar a cabo la invención, son contemplados dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones que señalan particularmente y reclaman distintamente la materia de interés, que es considerada como la invención.

EJEMPLOS Materiales y Métodos: Fabricación de Dispositivo : Las técnicas de fabricación fueron como se describe (J. Han, H. G. Craighead, J. Vac . Sci Technol . , A 17, 2142-2147 (1999) ; J. Han, H. G. Craighead, Science 288, 1026-1029 (2000) ) . Se utilizaron dos grabados al ácido con iones, reactivos. Después de la formación de patrones los conductos de 5-20 µp? de anchura con herramientas de litografía estándares, se condujo el primer grabado al ácido con iones reactivos (RIE) por aproximadamente 10 segundos para grabar el conducto de 40 nm, mientras que el segundo grabado creó dos canales microfluídicos paralelos de 1.5 µ?? a través de nanofiltro. Los nanofiltros con una profundidad de entre 30 y 70 nm fueron fabricados para demostrar los efectos de la concentración del amortiguador y de la profundidad del canal. Después de completar el grabado RIE, se utilizó el grabado OH para grabar a través de los orificios de \ carga. La oxidación térmica fue conducida después de la eliminación del nitruro, lo cual proporcionó aislamiénto eléctrico adecuado. El fondo del dispositivo fue luego unido con una oblea de Pyrex utilizando técnicas de unión anódica estándares.

En una modalidad, los chips micro fluídicos polidimetilsiloxano (PDMS) con nanouniones permeoselectivas fueron fabricados utilizando los métodos previamente publicados. La nanounión polimérica fue creada mediante la infiltración de la solución del polímero Nafion (Sigma Aldrich, 5% en peso) entre los espacios creados por el recorte mecánico sobre el sustrato PDMS que tenía un molde de microcanales. El PDMS fue sellado a si mismo con el material nanoporoso polimérico, heterogéneo entre el espacio de PDMS/PDMS . Luego el sustrato PDMS fue unido con placa de vidrio mediante el tratamiento con plasma. El microcanal de entrada y el microcanal de amortiguador tuvieron la dimensión de 500 µt? de anchura x 100 pm de profundidad y los microcanales bifurcados tienen la misma profundidad, pero una anchura de 250 µp?. Para la visualización de las partículas de tamaño micrométrico y WBC, los dispositivos con 100 im de anchura x 15 \im de profundidad fueron también fabricados . Microelectrodos de oro sobre titanio como una capa de adhesión (100 pm de anchura, HOnm de altura y 100 µt? espaciamiento entre electrodos) para las mediciones del potencial eléctrico fueron depositados en la entrada, desalinizados y salados en el microcanal utilizando el proceso estándar de evaporación/elevación (Ti: 10 nm y Au: 100 nm) .

Utilizando canales bifurcados microfluídicos (el tamaño de cada canal fue de 250 ym de anchura x 100 µp\ de profundidad) mostrados en las Figuras 1(a) a 1(c), se puede separar la corriente "desalinizada" de aquella "salada", logró la desalinizacion continua y el estado de reposo. Una característica importante aquí es que los iones salinos (y otros desechos cargados) son retirados de (no hacia) la membrana, eliminó fundamentalmente el potencial para el bloqueo, de la membrana (nanounión) .

Preparación de Biomoleculas y reactivos Un amortiguador de fosfato 10 mM (fosfato dibásico de sodio) a pH 9.1 fue principalmente utilizado, suplementado con EDTA 10 µ? para prevenir el crecimiento bacteriano. La pre-concentración exitosa fue demostrada bajo condiciones de pH 4.6, amortiguador de fosfato 10 mM. Las condiciones de amortiguador de acetato 10 mM de pH 3.5, y amortiguador TBE IX (aproximadamente 80 mM) fueron sin efecto de preconcentración significativo.

Bajo las condiciones del amortiguador de fosfato 10 mM, no se observó ningún efecto de polarización en los canales con una profundidad mayor de 50 nm, probablemente debido al bajo pH (que suprimió la ionización superficial) o la fuerza iónica de amortiguador demasiado alta (donde el nanofiltro se vuelve menos permeoselectivo debido a una longitud de Debye más pequeña) .

Las moléculas y los colorantes utilizados incluyeron rGFP (BD bioscience, Palo Alto, CA) , FITC-BSA (Sigma-Aldrich, St . Louis, MO) , FITC-Ovoalbumina (Molecular Probes, Eugene, OR) , FITC-BSA (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) , colorante FITC (Sigma-Aldrich, St . Louis, MO) , naranja Mito Orange (Molecular Probes, Eugene, OR) , y lambda-ADN (500 g/ml) . Las moléculas de ADN fueron marcadas con colorantes de intercalamiento Y0Y0-1 (Molecular Probes, Eugene, OR) siguiendo las instrucciones del fabricante.

También, los péptidos NH2-GCEHH-COOH (SEQ ID NO: 1) (pl 4.08) fueron sintetizados en Biopolymers Laboratory en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y marcados con un colorante de conjugación al tiol mediante' el siguiente procedimiento: la muestra de péptido purificada por HPLC fue primeramente reconstituida a una solución concentrada del péptido (amortiguador de fosfato 0.1 M pH 7.4) como una solución de reserva, luego diluida a lmM. La solución de reserva diluida fue mezclada a una proporción 1 a 1 con TCEP 10 mM (Molecular Probes, Eugene, OR) y colorante 5-TMRIA (Molecular Probes, Eugene, OR) . La reacción se dejó proceder a 4°C por 24 horas, protegida de la exposición a la luz, después de lo cual, los colorante sin reaccionar fueron terminados por la adición de 2 -Mercaptoetanol 100 mM (Sigma-Aldrich, St . Louis, MO) , y dializado utilizo un kit de mini diálisis con un corte de 1 kDa (Amersham Bioscience, Piscataway, NJ) .

Ajuste de la Detección Óptica Todos los experimentos fueron conducidos sobre un microscopio invertido (IX-71) con fuente de luz de excitación de fluorescencia, acoplada. Una cámara CCD termo eléctricamente enfriada (Cooke Co., Auburn Hill, MI) se utilizó para la formación de imagen de fluorescencia. Las secuencias de imágenes fueron analizadas mediante IPLab 3.6 (Scanalytics, Fairfax, VA) . Un divisor de voltaje doméstico, fue utilizado para distribuir diferentes potenciales a los depósitos. Se utilizó una lámpara de mercurio de 100 W integral, como una fuente de luz, y se utilizó un filtro de densidad neutral para reducir la intensidad de luz y para incrementar intervalo dinámico de detección.

Cuantificación de la Concentración Molecular La Cuantificación de la concentración molecular en el canal es descrita en las figuras 10(a) a 10(b) Ya que el dispositivo puede generar tapones de muestra que saturan el arreglo CCD utilizado para la detección, se utilizó un filtro de densidad neutra, el cual permitió al menos 12% de transmisión (Olympus (32ND12)) con una abertura de 70% NA (50% de transmisión) para disminuir la intensidad de luz de excitación. Al disminuir la intensidad de luz a 0.6%, se incrementó el intervalo dinámico del detector, mientras que la velocidad de foto blanqueo fue reducida.

Los canales fueron llenados con 3.3 µ? y 0.33 µ? de soluciones GFP, y la señal fluorescente proveniente de las soluciones en los canales fue medida. El obturador de la cámara fue abierto únicamente durante expulsiones periódicas (aproximadamente lsec) para reducir al mínimo el ' foto blanqueo de las moléculas recolectadas.

Con el fin de prevenir el enlace no específico de las proteínas, antes de y después de cada experimento, los chips fueron expuestos a un láser, por un periodo de tiempo suficiente para apagar completamente la fluorescencia residual debida al enlace no específico de la proteína fluorescente hacia la pared, además del uso de dispositivos recién fabricados y rellenos, para eliminar los efectos de transportación.

Pre-concentración en el canal recubierto Con el fin de prevenir la adsorción de las muestras sobre las superficies de sílices no tratadas, se aplicó un recubrimiento de poliacrilamidas estándar (S. Hjerten, J. Chromatogr. 347, 191-198 (1985)). El dispositivo fue recubierto con metacrilato de 3 - (trimetoxisilil) ropilo como un promotor de adhesión. Se mezcló 5% de solución de poliacrilamida con 0.2% de fotoiniciador VA-086 (WAKO, Richmond, VA) y se expuso bajo una lámpara de ÜV por 5 minutos, para iniciar la polimerización. Después del recubrimiento, no existió nivel perceptible de absorción hacia el dispositivo. Aún cuando se esperaba que el proceso de recubrimiento con poliacrilamida disminuyera el potencial superficial y la densidad de carga superficial, se observó la polarización de cargas similar y el patrón de atrapamiento de la muestra (aunque con una eficiencia menor) por aplicación de un potencial de operación mas alto. La menor eficiencia fue superada por la adopción de una fuerza iónica de amortiguador aún menor.

Preconcentración con diversas condiciones de amortiguador Para demostrar la adaptabilidad del dispositivo a diferentes condiciones de amortiguador, las concentraciones de amortiguador a diferente pH (5-9) , diferentes soluciones amortiguadoras y diferentes fuerzas iónicas, fueron evaluadas. La operación del dispositivo fue también . probada utilizando una solución de extracto que viene directamente de un gel de sílice de poliacrilamida , después de la realización de la reducción, alquilación, tripsinización y aislamiento del péptido, simulando el uso de bio muestras directamente a partir de electroforesis en gel en el dispositivo, como en los ambientes de investigación típicos de los proteómicos. La solución de extracto no contenía proteínas, pero si pequeñas cantidades de sales y pequeñas moléculas que pueden haber estado presentes en el gel proveniente de la muestra o del amortiguador de electroforesis (Tris, glicina, dodecil-sulfato de sodio, glicerol, Dit iotreitol , posibles contaminantes de queratina) , provenientes de la tinción (azul de Coomassie) , y/o de los pasos de reducción y alquilación (clorhidrato de Tris (2-carboxi-etil) -fosfina, yodoacetamida, bicarbonato de amonio) . La extracción mediante sonicación se realizó sobre la solución de tripsinización (60 ]iL; 10 ng/µ?. tripsina y/o péptidos de tripsina en amortiguador bicarbonato de amonio) después de la inactivación de la enzima con 20 µ?? de ácido fórmico al 20%. Esta solución de extracción fue recolectada y concentrada en el aparato speedvac . La extracción con sonicación fue realizáda secuencialmente utilizando 200 L de bicarbonato de amonio 100 mM, ácido trifluoroacético (TFA) al 0.1% en agua, dos veces TFA al 0.1% en agua 50:50 a acetonitrilo . Cada vez la solución extraída fue recolectada y combinada con la solución extraída del paso precedente, y concentrada hasta aproximadamente 10 µL en el aparato speedvac. Luego, esta solución compleja fue utilizada como un "amortiguador de muestra" por la adición de moléculas GFP marcadas. Para el paso de preconcentración, esta solución de muestra simulada fue diluida con amortiguador de fosfato 10 mM (proporción 1:9) y cargada dentro del canal .

EJEMPLO 1 Demostración de la desalinización La operación de desalinización del dispositivo micro/nanofluídico a escala del dispositivo unitario, fue experimentalmente probada. La figura 11(a) muestra el experimento de desalinización realizado con el agua de mar natural (obtenida de Crane beach, Ipswich, MA, pH= 8.4-8.5) . Se agregó NaOH a una concentración final de 1 mM al agua de mar natural, con el fin de precipitar los iones Ca2+, que se sabe provocan precipitación significativa en la solución de salmuera. Esta adición, no obstante, no disminuyó la salinidad del agua de mar significativamente. Subsecuentemente, la muestra de agua de mar fue físicamente prefiltrada con el fin de eliminar las precipitaciones y los desechos grandes tales como polvo, arena y algas (mayores que la dimensión del canal) . La muestra de agua de mar fue intencionalmente mezclada con FITC (colorante fluorescente como un marcador molecular, 1 g/mL, Invitrogen) , Nanopartículas de poliestireno , r-ficoeritrina (r-PE, 1 ng/mL, Invitrogen) y sangre completa humana que tenía células sanguíneas blancas fluorescentemente teñidas (WBCs) por Hoechst . Luego la mezcla (con el pH = 9.1-9.2) fue cargada dentro del depósito del dispositivo utilizando la bomba de presión externa a una velocidad de flujo definida (0.1-10 pL/min, dependiendo de las dimensiones del canal utilizado) .

La velocidad de flujo externo fue generada por una bomba de jeringas (aparato Harvard, PHD 2200) . Todos los patrones del flujo y los movimientos de partícula fueron imaginados con un microscopio de fluorescencia invertidos (Olympus, FX-51) y una cámara CCD (SensiCam, Cooke corp.). Las Secuencias de imágenes fueron analizadas mediante Image Pro Plus 5.0 (Media Cybernetics inc . ) . Se utilizó un suministro de energía de corriente directa (Stanford Research System, Inc.) Para aplicar potencial eléctrico a cada depósito a través de un divisor de voltaje hecho a la medida. Como se muestra en la Figura 1(a), fueron colocados alambres de platino (Sigma Aldrich) dentro, de cada depósito para las conexiones eléctricas externas adecuadas.

Una vez que se inició la ICP, se formó la zona de agotamiento dentro de 1 segundo para desviar los iones cargados (representados por moléculas decolorantes) dentro de la corriente "salada" como se muestra en la figura 11(a). Se mostró también que la capa de ICP actúa como una barrera virtual para cualesquiera partículas cargadas (negativas y positivas) , incluyendo la mayoría de las partículas sólidas, micro-organismos y biomoléculas (proteínas, bacterias, virus, células sanguíneas rojas, células sanguíneas blancas, etc.) encontradas en el agua de mar como se muestra en la figura 11 (b) . El dispositivo mostrado en la figura 11 (b) tiene la dimensión de micro canal interno de 100 µp\ de anchura x 15 µt? de profundidad con el fin de visualizar claramente los movimientos de las células sanguíneas blancas . Esto es debido a que la mayoría de los microorganismos y micro partículas llevadas por el agua tienen potencial zeta diferente de cero (usualmente ligeramente-negativo) . Por lo tanto, los iones salinos pequeños y los microorganismos grandes pueden ser eliminados de la corriente desalinizada de salida, haciendo a este proceso altamente atractivo para la desalinización directa de agua de mar, a partir de fuentes naturales . Ya que la mayoría de los iones fueron eliminados de la corriente desalinizada, el valor de pH de la corriente desalinizada de salida fue medido como de 7.0 aproximadamente 7.5, que está en el intervalo de la acidez recomendada por la OMS del agua potable. Se confirmó que la operación de desalinización puede ser . mantenida en 1 hora sin ningún taponamiento de la membrana. Después de 1 hora de operación, el depósito en el extremo del canal de salmuera (salado) se llegó a concentrar con partículas y colorantes, como se muestra en la figura 11(c), mientras que el depósito en el canal desalinizado estuvo libre de desechos como se muestra en la figura 11(d).

EJEMPLO 2 Medición de la conductividad de la corriente desalinizada La concentración iónica del agua de mar en la corriente desalinizada es significativamente mas baja que la concentración original, debido a la repulsión de las sales provenientes de la zona de agotamiento de iones. Con el fin de cuantificar la concentración en una corriente desalinizada, la medición de la conductividad in sifcu de la corriente desalinizada se realizó utilizando microelectrodos incrustados (mostrados en la figura 10(a)) . La caída del potencial (ñV) entre los microelectrodos fue medida por los electrómetros Keithley 6514 y la corriente (i) a través de una corriente "desalinizada" fue obtenida por picóraetros Keithley 6487. La conductividad, s puede ser simplemente calculada por la relación, s=?/\?\?, donde i es la corriente pasada a través de los microelectrodos y A es el área en sección transversal del microcanal. E puede ser estimado por la caída del potencial dividido entre el espacio entre los microelectrodos. Para la calibración, la conductividad del agua de mar de dilución diferente fue medida utilizando un medidor de conductividad de mesa (medidor de conductividad V R sympHony) , y los valores fueron de 45 mS/cm, 9.91 mS/cm, 1292 pS/cm, 127.8 yS/cm, 12.4 pS/cm y 1.8 pS/cm para una dilución de lx, 5x, 50x, 500x, 5000x y 50000x, respectivamente. Este número fue utilizado para convertir la conductividad medida a la salinidad de la corriente desalinizada.

Cuando se aplica el voltaje por arriba del umbral y se establece la zona de agotamiento de iones, la conductividad de la corriente desalinizada de salida cayó a aproximadamente 0.5 mS/cm (salinidad de aproximadamente 3 mM) desde aproximadamente 45 mS/cm (aproximadamente 500 mM) , la conductividad del agua de mar original. En otro experimento más con solución amortiguadora de fosfato 100 mM (aproximadamente 15 mS/cm, un modelo para el agua salobre), la conductividad de la corriente desalinizada de salida fue también disminuida a aproximadamente 0.3 mS/cm (aproximadamente 2 mM) . En comparación, la salinidad del agua potable debe ser menor que el nivel de 1 mM. La velocidad de flujo en la corriente desalinizada realizada en este dispositivo inicial de prueba de concepto, fue aproximadamente 10 yL/min (la velocidad de flujo de entrada fue de 20 L/min y ésta se divide igualmente en dos corriente de 10 L/min) , con |E| de aproximadamente 75 V/cm.

Los valores de pH de una muestra desalinizada fueron medidos por un potenciómetro (medidor de conductividad VWR sympHony) . Estos fueron 8.4-8.5 y 9.1-9.2 para el agua de mar natural y la mezcla del agua de mar + NaOH (después de la eliminación de Ca2+ y la adición de células) , respectivamente. Al mismo tiempo, los valores de pH del agua de mar pura, la mezcla del agua de mar + NaOH y la muestra desalinizada fueron medidos utilizando un papel Litmus (colorpHast, EMD Chemicals inc . ) como se muestra en la figura 13. A partir de la observación, el pH de la muestra desalinizada tuvo un valor claramente mas bajo que aquel de ambas muestras de agua de mar, estimado entre 7.0 y 7.5.

Cada microcanal fue conectado con el sensor Nanoflow (Upchurch, N-565) con el fin de medir in situ las velocidades de flujo efectivas que salen de cada microcanal. Como se muestra en la figura 14, la velocidad de flujo de entrada fue casi igualmente dividida en los microcanales ramificados.

EJEMPLO 3 Consumo de energía La corriente en estado de reposo requerida en la presente unidad, encontró que era de 1 µ? (salida de desalinización de agua de mar a 0.25 µL/min en un dispositivo con una sección transversal de microcanal de 100 pm x 15 µp?) o aproximadamente 30 µ? (10 L/min en un dispositivo con sección transversal de 500 µt? x 100 µp?) . De este modo, el consumo de energía fue aproximadamente 75 µ?? a 2250 iVI por dispositivo unitario. Por lo tanto, la eficiencia de energía de este mecanismo de desalinización es de 5 Wh/L (75 µ?? / 0.25 µL/min) ~ 3.75 Wh/L (2250 µ?? / 10 yL/min) . Además de esto, es también requerida la energía para la distribución del fluido a través de un microcanal y ésta es de 0.041 mWh/L - 1.55 mWh/L. En el caso de la velocidad de flujo Q= 0.25 L/min en un dispositivo de 100 m x 15 µp?, la energía requerida para el bombeo a través del microcanal puede ser calculada por el producto de la presión por la velocidad de flujo (pxQ) - La caída de presión a través del microcanal completo es dada por 12 yQL/ (wd3 ) donde µ es la viscosidad del agua de mar, y L, w, y d son la longitud, la anchura y la profundidad de microcanal, respectivamente. Al adaptar y= 1.88 cp, L= 2 cm, w= 100 µp?, y d= 15 ym, el consumo de energía fue de 23.2 nW. De este modo, la eficiencia de energía (W/ Q) fue de 1.55 mWh/L. Similarmente , la eficiencia fue de 0.041 mWh/L cuando Q= 10 µ??/???? en un dispositivo de sección transversal de 500µp? x 100 µp?. Por lo tanto, la energía necesaria para la distribución general del fluido es despreciable, principalmente debido a la resistencia fluídica más pequeña de un microcanal abierto, en comparación con las membranas RO.

En contraste, el consumo efectivo de energía del proceso RO solo es de aproximadamente 2.5Wh/L, pero éste se incrementa significativamente hasta 5Wh/L debido a los procesos adicionales necesarios de admisión, pretratamiento, recirculación y distribución. Además, tal eficiencia de energía de proceso RO es únicamente lograda en instalaciones de RO a escala de plantas grandes. Los sistemas RO a escala pequeña tales como los sistemas de desalinización a bordo de barcos tienden a tener mucho peor eficiencia de energía. Los sistemas de desalinización a escala pequeña (pero no portátiles), comercialmente disponibles que tienen rendimiento de desalinización en el intervalo de 378 L/día (262 mL/min) y 17000 L/día (11.8 L/min) y los volúmenes del sistema en el intervalo entre [40 cm x 60 cm x 40 cm] y [140 cm x 110 cm x 90 cm] , requirieron 2 motores de bombeo a 3 hp (1491.4 ~ 2231.7 ) para la operación de RO . Estos números conducen a 35 Wh/L a 95 Wh/L de eficiencia de energía. Por lo tanto, el consumo total de energía del sistema desalinización ICP podría ser al menos comparable a la instalación RO del estado de la técnica, y mucho mas bajo que los sistemas de RO a escala pequeña, actualmente existente. Similarmente el sistema RO, el consumo de energía puede ser adicionalmente disminuido con el agua de la fuente a una salinidad menor que el agua . de mar (por ejemplo. agua salobre) . El límite inferior teórico de la energía requerida para la desalinización es de aproximadamente 0.81, 0.97 y 1.29 Wh/L para recuperaciones de agua dulce de 25, 50, 75%, respectivamente. Además, el dispositivo microfluídico unitario puede ser además optimizado mediante - la implementación de un número de mejoramiento: 1) Primeramente, los microelectrodos pueden ser integrados para la aplicación de voltajes cércanos a la nanounión, con el fin de disminuir drásticamente el voltaje y la eficiencia de energía para la compatibilidad con la tecnología de batería existente o la energía solar a pequeña escala; 2) En segundo lugar, la longitud de la nanounión Nafion puede ser controlada, reduciendo significativamente la pérdida de energía debida a la iniciación y al mantenimiento de la zona de agotamiento de iones; 3) Finalmente, se puede optimizar el diseño del canal principal/salmuera con el fin de reducir al mínimo el tamaño del chip unitario total, de modo que se puede lograr la paralelización máxima dentro de un tamaño de sistema dado. Con respecto a los porcentajes dados anteriormente para recuperaciones de agua dulce de 25, 50, 75%, el porcentaje significa la cantidad relativa de agua dulce en comparación con agua de mar de entrada: 75% de recuperación significa 75% de agua de mar que entra la cual sale como agua dulce, mientras que el restante 25% sale como una salmuera altamente salina. En otra modalidad más, el porcentaje de recuperación describe la reducción en la salinidad como resultado del proceso, por ejemplo, 75% de recuperación significa que la concentración de la solución va a ser de ¾ (25%) después del tratamiento; de 100 mM a 25 mM como resultado del proceso de desalinización.

EJEMPLO 4 Paralelización del dispositivo unitario El paso de eliminación de sal, crítico ocurre dentro de una distancia relativamente corta en el microcanal, de modo que el espacio lateral (área) requerido para un dispositivo microfluídico unitario, fue estimado como alrededor de 1 mm x 1 mm. La paralelización masiva del dispositivo unitario a una escala de oblea de 15.2 a 20.3 cm (de 6 a 8 pulgadas), que permite la multiplicación hasta 1.5 x 104 ~ 3 x 104) podría ser posible el rendimiento de 150 mL/min ~ 300 mL/min en un sistema a escala pequeña, que es idealmente adecuado para aplicación de desalinización de agua de mar, portátil. En tal sistema, los fluidos son impulsados a través de la pila de prefiltros para eliminar partículas grandes/desechos y la pila del arreglo desalinizador de ICP, masivamente paralelo, por medio de gravedad (similar a los sistemas de filtración domésticos) con el fin de eliminar los patógenos y las sales, como se muestra en la figura 15.

En comparación, el sistema de purificación de agua doméstico, comercial, alimentado por gravedad (no el sistema de desalinización) tiene un rendimiento de aproximadamente 200 mL/min y uno de los sistemas de desalinización de agua de mar, tamaño escritorio (pero no portátiles) actuales, comercialmente disponibles que utilizan la tecnología RO, tienen la velocidad de flujo de 260 mL/min aproximadamente 1 L/min. La paralelización masiva del dispositivo unitario no requiere esfuerzos significativos de ingeniería tales niveles de paralelización de dispositivo unitario pequeño sobre una área grande, no tiene precedentes, y está siendo ya realizado en la generación de energía fotovoltaica .

EJEMPLO 5 La orientación específica de los canales puede incrementar la estabilidad de la región de carga espacial Las figuras 6 (a) a 6 (b) presentan modalidades en los dispositivos de esta invención, que fueron fabricados. Con base en la apertura del canal, los dispositivos fueron categorizados como un dispositivo de entrada (SG, Figura 6 (a) o dispositivo de entrada doble (DG, Figura 6 (b) . El microcanal de muestra se conecta al o a los conductos sobre una pared lateral en el dispositivo SG y sobre ambas paredes laterales en el dispositivo DG. Las dimensiones son desde 50 µ?t? de anchura x 2 µp? de profundidad para el micro canal y 40 nm de profundidad x 2 µp? de anchura x 10 µ?? de altura.

Para explorar el flujo rio lineal con detalle, el patrón de flujo electrocinético dentro y fuera de la región de agotamiento de iones, fueron visualizados mediante rastreo de fluorescencia de las partículas marcadas y las moléculas de colorante, que fueron agregadas en la solución amortiguadora principal (fosfato 1 mM ( (fosfato dibásico de sodio)) a pH = 8.7. Se utilizaron esferas de poliestireno terminadas con carboxilo de 40 nm (Duke Scientific Corp) o de 500 nm (Invitrogen) , dependiendo de las propiedades geométricas del chip.

El comportamiento de agotamiento de iones y de enriquecimiento de iones fueron probados en el dispositivo . SG (Figura 7) . El mismo voltaje fue aplicado a ambos lados del microcanal de muestra y el microcanal de amortiguador fue conectado a tierra sobre ambos lados (condiciones de agotamiento). Esto dio como resultado aumento de. la concentración de iones en el microcanal de amortiguador próximo al conducto (claro) y el agotamiento de iones en el microcanal de muestra próximo a los conductos (oscuro) con la zona de agotamiento que se expande en tamaño rápidamente.

Los campos eléctricos tangenciales (ET) generados por aplicaciones, diferentes voltajes eléctricos en los dos lados del microcanal de muestra, provocaron que las partículas cargadas y los iones migraran. Las partículas cargadas y los iones pueden ser recolectados próximos al primer lado (izquierdo) del microcanal de muestra (Figuras 8(a) y 8(b) ) .

Con el fin de rastrear el patrón de flujo dentro de las regiones del microcanal de muestra, se permitió que las partículas se movieran a través de la zona de agotamiento para regresar a la configuración del voltaje preconcentracion (Figuras 9(a) y 9(b)) . Una vez que las partículas pasaron la zona de agotamiento y entraron a la zona de baja concentración corriente abajo, éstas viajaron a una velocidad que fue aproximadamente 25 veces más rápida que en la zona de concentración. Los voltajes aplicados fueron como seguidos: En la figura 9(a) VH = 10 V, VL = 5 V y el canal de amortiguador fue conectado a tierra. En la Figura 9(b) fueron realizados tres pasos. Primeramente, VH = 20 V, VL = 15 V y el canal de amortiguador fue conectado a tierra para la formación de una zona de agotamiento; en seguida, VH = 20 V, VL = 15 V y el canal de amortiguador permaneció no conectado (flotante) para permitir las partículas a través de la zona de agotamiento; en el último paso, las condiciones del voltaje fueron regresadas a VH = 20 V, VL. = 15 V y un canal de amortiguador conectado a tierra con el fin de recrear una zona de agotamiento.

En el dispositivo SG de la figura 9(a), la velocidad de las partículas en la zona de alta concentración fue de 6 µp?/sec, mientras que en la zona de baja concentración fue de 140 µt?/sec. La velocidad de las partículas en la zona de alta concentración del dispositivo DG (Figura 9(b)) fue de 20 µt?/sec, y en la zona de baja concentración fue de 500 µ??/sec.

Sobre el lado a mano izquierda del microcanal de muestra (zona de concentración) la fuerza (de naturaleza electroestática, actuando siempre lejos del conducto) responsable del agotamiento de iones para contra restar la fuerza de impulsión electrocinética, permite que las partículas sean atrapadas. No obstante, en el lado derecho, estas dos fuerzas están actuando en la misma dirección, con lo cual se eliminan rápidamente las partículas (cargadas) de la región.

El cambio de nivel de líquido en los depósitos de muestra, fue medido. Únicamente las partículas cargadas y los iones fueron atrapados a la región de concentración, mientras que el agua pasó a través de la zona de concentración y se movió hacia el lado derecho del microcanal de muestra con alta velocidad. La velocidad de flujo medida fue aproximadamente 0.5 pL/hr, que fue 25 veces mayor que la velocidad de flujo al flujo electroosmótico normal (0.02 µL/hr) con la misma diferencia de potencial eléctrica.

El lado derecho del microcanal de muestra, sobre la derecha del área de conexión del conducto, es denominada como la zona corriente abajo. Las zonas corriente abajo de los dispositivos SG y DG de preconcentracion (agotamiento) fueron encontradas en gran medida libres de sal. La concentración de amortiguador de la región corriente abajo puede ser estimada al apagar el voltaje a través del conducto, y luego movilizando electrocinéticamente las partículas y las moléculas de colorante enjambas regiones. La concentración de iones en la región corriente abajo fue estimada como de al menos 40 µ?, como fue evaluado por comparación de dos diferentes velocidades de partículas en dos zonas, ya que la velocidad de las partículas está correlacionada con la resistividad eléctrica y la concentración de iones en la solución amortiguadora. La concentración de iones fue estimada con base en la diferencia entre las velocidades de las partículas en dos configuraciones, ya que la velocidad es directamente proporcional al campo eléctrico el cual es a su vez inversamente proporcional a la concentración. Una concentración de iones en el intervalo µ? es la concentración esperada utilizando esta modalidad del método. La conductancia del conducto permeoselectivo (y la corriente permeoselectiva total a través de éste) es suficientemente grande, en algunas modalidades de esta invención, para "desalinizar" los iones del volumen líquido que entra a la unión del conducto a los dispositivos SG y DG. Esta desalinización corriente abajo hace posible el flujo electrocinético en la región.

La conductancia del conducto permeoselectivo (y la corriente permeoselectiva total a través de éste) es suficientemente grande, en algunas modalidades de esta invención, para provocar el cambio de la dirección del flujo de iones y del líquido desde el volumen del líquido que entra a la unión del conducto en los dispositivos SG y DG. Este cambio puede ser utilizado en la operación de dispositivos microfluídicos en la acumulación dirigida de especies y en las técnicas controladas de síntesis, análisis y purificación.

EJEMPLO 6 Desalinización de baja energía de agua de mar para beber Un dispositivo microfluídico es construido a partir de un arreglo de montajes de microcanales/conducto como se describe en el ejemplo 1. El arreglo es tridimensional. El dispositivo es manual. El dispositivo microfluídico está conectado a un depósito de agua de mar. El agua de mar es primeramente filtrada para eliminar las partículas de tamaño micrométrico y más grandes. El agua de mar entra a la pluralidad de los microcanales . El agua de mar está siendo luego desalinizada por la aplicación de un campo eléctrico a los conductos. A la salida de cada canal, la corriente desalinizada es recolectada por un recipiente y la corriente salada por otro recipiente. Los contenidos de todos los recipientes en los cuales fue recolectada el agua desalinizada, son dirigidos a un recipiente de salida para beber. El dispositivo es operado con baja energía y puede funcionar con baterías o con otro suministro de energía temporal. El dispositivo puede desalinizar grandes cantidades de agua debido a que un gran número de microcanales pueden ser construidos y funcionar en paralelo dentro de un dispositivo. El aumento del flujo del fluido aumenta la eficiencia del dispositivo. El agua que fue desalinizada una vez hasta cierto grado puede ser adicionalmente desalinizada por reciclamiento de la corriente desalinizada, o al dirigir la corriente desalinizada a un segundo grupo de microcanales de desalinización . El dispositivo puede ser colectado a un medidor de conductancia o a cualquier otro medidor de la concentración de las especies cargadas, para evaluar la concentración de sales de la solución desalinizada.

EJEMPLO 7 Un dispositivo microfluídico para síntesis Un dispositivo microfluídico es construido a partir de una pluralidad de montajes de microcanales/conductos como se describe en el ejemplo 1. La salida de algunos de los microcanales está conectada a las cámaras o depósitos. Una mezcla de reactivos de un primer tipo es cargada en el dispositivo, y transferida a una cámara a través de un microcanal. Una mezcla de reactivos de un segundo tipo es cargada dentro del dispositivo a través del mismo o de un microcanal adicional, y es transferida a la misma cámara o depósito. La presencia de los dos tipos de mezclas de reactivos en una cámara da como resultado una reacción. Ya que al menos las porciones del dispositivo son transparentes, pueden ser utilizadas técnicas de imaginería, tal que los marcadores pueden indicar la presencia y la posición de los reactivos y de los productos de reacción. En algunas modalidades, los productos son liberados desde la cámara hacia un microcanal que conduce a un recipiente de recolección. El dispositivo puede contener un arreglo de recipientes de reacción funcionando todos al unísono para aumentar la eficiencia de la reacción. La habilidad para aumentar el flujo del fluido, para cambiar la dirección del fluido y para purificar partes de la solución por eliminación de las especies cargadas de ésta, hace eficiente, rápida y altamente controlada la síntesis, en términos de pureza de producto y rendimiento de producto .

EJEMPLO 8 Dispositivo microfluídico implantado para la liberación controlada de fármaco para el diagnóstico Los dispositivos de esta invención pueden ser implantados en un sujeto o acoplados a la piel de un sujeto como parte de un sistema de liberación controlada de fármaco. La aplicación controlada de voltaje sobre los conductos de esta invención induce el flujo fluido a través de microcanales del dispositivo. Esto también induce el flujo mejorado del fluido. Tal acción puede impulsar a un fluido que contiene fármacos hacia un sujeto en cantidades medidas y en intervalos de tiempos específicos. Las muestras fluidas provenientes de un sujeto son retiradas del sujeto para el análisis. Muestras de fluido pequeñas son bombeadas hacia los microcanales del dispositivo, para el diagnóstico. El bombeo es logrado mediante la aplicación de un voltaje sobre los conductos y sobre los microcanales. La muestra es analizada y puede ser transferida nuevamente al sujeto. Alternativamente la muestra es desechable .

Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. l

Claims

REIVINDICACIONES : Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un método para acelerar el flujo de líquido en un dispositivo de microfluidos , caracterizado porque comprende las etapas de: • introducir un líquido que comprende especies cargadas de una fuente, en un dispositivo de microfluidos que comprende : i . un primer substrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende las especies cargadas, de un primer lado a un segundo lado; iii. por lo menos un microcanal o depósito de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. por lo menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador, y v. por lo menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra por el que el flujo electroosmotico es inducido en el microcanal de muestra, el flujo además introduce el líquido en el dispositivo a través del microcanal de muestra y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico, y • inducir un segundo campo eléctrico en el conducto, por el que se produce el agotamiento de iones en el microcanal de muestra en una región próxima al conducto y con lo cual el agotamiento de iones acelera el flujo en el microcanal de muestra.

2. Un método para disminuir la concentración de sal o desalinizar una solución, caracterizado porque comprende las etapas de : • introducir un líquido que comprende iones de sal de una fuente en un dispositivo de microfluidos que comprende : i . un sustrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende iones de sal, de un primer lado a un segundo lado; iii. por lo menos un microcanal o depósito de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. por lo menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal o depósito de amortiguador, y v. por lo menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; y • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra por el que el flujo electroosmótico es inducido en el microcanal de muestra, el flujo además introduce el líquido en el dispositivo a través del microcanal de muestra impulsado electrocinéticamente o impulsado por la presión o una combinación de los mismos; y el flujo es controlado por la fuerza del primer campo eléctrico; y • inducir un segundo campo eléctrico en el conducto, por el que se produce el agotamiento de iones de sal en el microcanal de muestra en una región próxima al conducto y con lo cual los iones de sal y cualesquiera especies cargadas incluyendo contaminantes biológicos tales como bacterias y virus son confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el microcanal de muestra comprende además una primera salida para la solución de baja concentración de sal y una segunda salida para la solución de alta concentración de sal.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el líquido que comprende especies cargadas es agua de mar.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo es parte de un aparato.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el aparato es manual/portátil.

7. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el aparato es de mesa.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la introducción de líquido desde una fuente hacia el dispositivo de microfluidos comprende una unidad de inducción de presión, una unidad de inducción de flujo electroosmótico o una combinación de las mismas.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo de microfluidos comprende además un segundo substrato colocado proximalmente a o adherido al primer sustrato o una porción del mismo.

10. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el método es utilizado para desalinizar agua del mar para beber.

11. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el microcanal de muestra comprende además una primera salida para la solución de baja concentración de sal y una segunda salida para la solución de alta concentración de sal.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la primera salida para la solución de baja concentración de sal está conectada con la zona de agotamiento de iones en el microcanal de muestra y en donde la segunda salida para la solución de alta concentración de sal está conectada a la región que está lejos del conducto en donde se confinan los iones de la sal.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el primer campo eléctrico en el microcanal de muestra se genera mediante la aplicación de un voltaje superior al primer lado del microcanal de muestra y un voltaje inferior al segundo lado del microcanal de muestra.

14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el voltaje más alto, el voltaje más bajo o una combinación de ellos son voltajes positivos.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el voltaje positivo está entre 50 mV y 500 V.

16. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo se logra conectando eléctricamente a tierra el segundo lado del microcanal de muestra.

17. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el segundo campo eléctrico en el conducto se genera mediante la aplicación de un voltaje mayor al lado del conducto que está conectado al microcanal de muestra, y un voltaje más bajo al lado del conducto que está conectado al microcanal de amortiguador.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el voltaje más alto es positivo y el voltaje más bajo se aplica al conectar eléctricamente a tierra el microcanal o depósito de amortiguador conectado al conducto .

19. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el voltaje más alto es el resultado de los dos voltajes aplicados al primer lado y al segundo lado del microcanal de muestra.

20. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el voltaje más alto tiene un valor intermedio que está entre los valores de los dos voltajes aplicados al primer lado y al segundo lado del microcanal de muestra .

21. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el primero y segundo campos eléctricos son de 75 V/cm hacia el primer lado del microcanal de muestra y de 40 V/cm hacia el segundo lado del microcanal de muestra, y en donde el microcanal o depósito de amortiguador está eléctricamente conectado a tierra.

22. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la anchura del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de éstos es de entre 1 a 100 micrómetros .

23. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la profundidad del microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador o una combinación de éstos es de entre 0.5 a 50 micrómetros.

'24. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2., caracterizado porque la anchura del conducto se encuentra entre 100 nanómetros a 100 micrómetros.

25. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la anchura del conducto se encuentra entre 20 nanómetros a 100 micrómetros.

26. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el conducto es un nanocanal.

27. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el material permeoselectivo a base de polímero comprende un material selectivo de cationes 0 selectivo de aniones o Nafion.

28. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la superficie del microcanal de muestra ha sido funcionalizada para reducir la adsorción de especies de interés a la superficie.

29. El método de conformidad con la reivindicación 1' ó 2, caracterizado porque la superficie del conducto y/o el primer microcanal de amortiguador ha sido funcionalizada para mejorar la eficiencia de la operación del dispositivo.

30. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque un voltaje de entrada externo se aplica al sustrato del dispositivo, para mejorar la eficiencia de operación del dispositivo. .

31. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el microcanal de muestra, el microcanal de amortiguador, el conducto o la combinación de los mismos, se forman por procesos de litografía y grabado al ácido.

32. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo está compuesto por un material transparente.

33. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el material transparente es pyrex, dióxido de silicio, nitruro de silicio, cuarzo o SU-8.¦

34. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo está recubierto con un material de baja autofluorescencia .

35. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo está acoplado a una bomba.

36. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo está acoplado a un sensor, sistema de separación, sistema de detección, sistema de análisis o una combinación de los mismos .

37. El método de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque el sistema de detección comprende una fuente de iluminación, una cámara, una computadora, un luminómetro, un espectrofotómetro , o una combinación de los mismos.

38. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la velocidad de flujo del líquido en el microcanal de muestra está entre 100 µp?/seg y 10 mm/seg.

39. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo comprende múltiples microcanales de muestra, múltiples microcanales de amortiguador, múltiples conductos o combinaciones de los mismos.

40. El método de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado porque los múltiples microcanales, conductos o combinaciones de los mismos se colocan con una geometría particular o en un arreglo particular .

41. El método de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque el arreglo comprende por lo menos 1000 microcanales de muestra, por lo menos 1000 microcanales de amortiguador y por lo menos 1000 conductos .

42. El método de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado porque la longitud, anchura o altura del dispositivo o una combinación de los mismos oscila entre 10 cm y 30 cm.

43. El método de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque la geometría o el arreglo comprende la orientación perpendicular de los microcanales con respecto a los conductos .

44. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la velocidad de flujo volumétrico del líquido es por lo menos de 1 ml/min.

45. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el volumen de líquido está en el intervalo de 60 a 100 litros/hora.

46. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del dispositivo oscila entre lOw a 100 w.

47. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el flujo a través del microcanal de muestra es continuo.

48. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el método se utiliza para la filtración de soluciones para la síntesis, el análisis de detección, la purificación, la desinfección o una combinación de los mismos.

49. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el método se utiliza para eliminar los contaminantes del agua.

50. Un método para detener o cambiar la dirección del flujo del líquido, caracterizado porque comprende las etapas de: • introducir un líquido que comprende especies cargadas de una fuente, en un dispositivo de microfluidos que comprende : i . un substrato ii. al menos un microcanal de muestra a través del cual se puede hacer pasar el líquido que comprende las especies cargadas, el microcanal de muestra comprende un primer lado y un segundo lado; iii. por lo menos un microcanal o depósito de amortiguador que comprende un amortiguador; iv. por lo menos un conducto conectado al microcanal de muestra y al microcanal de amortiguador o al depósito; y v. por lo menos una unidad para inducir un campo eléctrico en el conducto, el microcanal de muestra, el microcanal o depósito de amortiguador o una combinación de los mismos; tal que la dirección de flujo del líquido es del segundo lado hacia el primer lado del microcanal de muestra; • inducir un primer campo eléctrico en el microcanal de muestra; • inducir . un segundo, campo eléctrico en el conducto, por el' que el agotamiento de iones de sal se produce en el microcanal de muestra en una región próxima al conducto, y los iones de la sal son confinados a una región dentro del microcanal de muestra que está distante del conducto y por el que un segundo flujo de líquido es inducido en el microcanal de muestra del primer lado hacia el segundo lado, y en donde el segundo flujo es controlado por la fuerza del primero y el segundo campos eléctricos; con lo cual el segundo flujo inducido del primer lado hacia el segundo lado del microcanal se opone al primer flujo del segundo lado hacia el primer lado, y con esto el segundo flujo inducido del primero de lado hacia el segundo lado, puede detener el primer flujo o revertir cambiar la dirección del primer flujo.