WO2019162553A1 - Dispositivo microfluídico - Google Patents

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WO2019162553A1
WO2019162553A1 PCT/ES2019/070099 ES2019070099W WO2019162553A1 WO 2019162553 A1 WO2019162553 A1 WO 2019162553A1 ES 2019070099 W ES2019070099 W ES 2019070099W WO 2019162553 A1 WO2019162553 A1 WO 2019162553A1
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microfluidic
sers
female
channel
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Gonzalo SANTORO DOMINGO
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
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    • G01N21/65—Raman scattering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers

Definitions

  • the object of the invention is framed in the technical field of analytics.
  • the object of the invention relates to the determination and quantification of substances in fluids using optical means, such as spectroscopy, for the detection of chemical traces in fluids using the Raman spectroscopy as a method of detection. by surface or "Surface-Enhanced Raman spectroscopy - SERS" in its Anglo-Saxon nomenclature.
  • optical means such as spectroscopy
  • Raman spectroscopy surface or "Surface-Enhanced Raman spectroscopy - SERS" in its Anglo-Saxon nomenclature.
  • the application sectors of the device object of this invention are those of analytical chemistry, biomedicine and environmental science.
  • the present invention has direct application in laboratories and industries for the control of liquid phase processes. BACKGROUND OF THE INVENTION
  • LoC devices combine typical detection methods of laboratory tests with microfluidic systems, allowing the miniaturization of laboratory processes, which presents clear advantages over conventional macroscopic systems for the analysis and detection of chemical and biological molecules.
  • the amount of chemical agents used in the analysis, as well as the waste generated is significantly reduced. Equally important is the fact that the behavior of liquids in the microscale allows great control of molecular concentrations and interactions.
  • LoC devices have a high sensitivity, being able to detect analytes in typical concentrations between 10 3 and 10 6 mol / l.
  • Raman spectroscopy in addition to being a non-destructive technique, is a very powerful tool for the identification of chemical and biological compounds. Unlike other techniques that require the use of markers, such as fluorescence-based techniques, detection using Raman spectroscopy does not require special sample preparation.
  • Raman spectroscopy has a weak signal compared to other optical detection techniques.
  • it is possible to greatly increase the intensity of the Raman signal by using plasmonic nanostructures. This is due to the local increase of the electric field by a resonance effect of the electric field of the incident light and dispersed with the localized surface plasmons, or "Localized Surface Plasmon Resonance - LSRP" in its Anglo-Saxon nomenclature, which have certain nanostructures.
  • This fact forms the basis of surface-enhanced Raman spectroscopy or "Surface-Enhanced Raman spectroscopy - SERS" in its Anglo-Saxon nomenclature. Through the use of SERS spectroscopy it is possible to reach sensitivities that reach the detection of a single molecule.
  • a microfluidic device that exhibits a deformation in the channel wall, actually an elastomeric membrane, that modifies the morphology of the sample passage by pressure thus deforming the membrane causing it to contact the contacts at the bottom of the channel; thus obtaining that the particles are trapped for its determination and / or quantification while the solute continues to flow through the channel.
  • a chip for analysis using Raman spectroscopy comprising substrates: a first hard substrate, a second hard substrate parallel to the first hard substrate, and a metal layer that is formed by a metallic material that has SERS activity and is arranged between the first substrate and the second substrate, extending from the first hard substrate to the second hard substrate; the metal layer comprises a group of metal columns formed by a plurality of metal columns; each metal column extends in the thickness direction from the first hard substrate to the second hard substrate.
  • the group of columns is a group of metal columns with three-dimensional cylindrical reinforcing surfaces and is arranged in the analysis area of the chip in such a way that the contact area of the analysis area and the molecules is increased.
  • CN20141831060 both a transparent microfluidic device for the realization of Raman dispersion and its production method are described, the device structure comprising: a transparent active substrate and a layer of microfluidic structure supported on the transparent active substrate and several detection microchannels; the microchannels being disposed within the microfluidic structure layer and the detection microchannel in communication with a liquid inlet and a liquid outlet in the microfluidic structure layer; and the active substrate being transparent and a surface of an area corresponding to the detection microchannel respectively provided with a metal nanostructure arranged between the liquid inlet and outlet.
  • the advantage that, according to this document, provides the described device, is given by the nanostructure, which provides consistency in the SERS dispersion detection signal and allows to shorten the detection time and improve the SNR signal / noise ratio of the detection signal being able to detect several substances simultaneously and in real time.
  • microfluidic devices for SERS that allow an easy placement of SERS substrates in the microfluidic channel as well as their replacement once their efficiency is diminished. This would be an advantage for the reuse of the microfluidic system without the need to manufacture the entire device.
  • an easy placement of the SERS substrate in the microfluidic channel allows the use of optimized substrates for the detection of the desired molecule without the need to manufacture a complete device for each molecule, that is, using the same microfluidic system it is possible to change the substrate SERS for one with the most appropriate morphological and optoelectronic characteristics for the required analysis.
  • it is desirable that the SERS spectrum does not present any contribution of the materials in which the device is manufactured, so that the use of optical windows is a clear advantage.
  • the object of the invention there is a device for the detection of chemical traces in fluids, using as a method of detection the surface-enhanced Raman spectroscopy or "Surface-Enancad Raman Spectroscopy-SERS" in its Anglo-Saxon nomenclature.
  • the device object of the invention is reusable and versatile, since, among other features, it allows easy placement of SERS substrates in the microfluidic channel and, in addition, be used in different tests that make use of different wavelengths (2) , as it has a replaceable optical window.
  • the device described here has a series of characteristics that allow solving some, if not all, of the above-mentioned problems not solved by means of the proposals known in the prior art and of great need in the technical field of application of the object of the invention thanks to the inclusion in the device of a pair of walls of the sample passage duct that are facing (preferably located on the sides of said duct) and that are made of a flexible material that allows pressure on them, such so that the passage of fluid defined by the conduit undergoes modifications in terms of its geometry.
  • the device object of the invention is mainly composed of the following elements: a) Microfluidic cell. b) Detachable optical window, which allows different tests to be carried out using electromagnetic radiation at different wavelengths simply by replacing the window with one whose optical characteristics allow the analysis to be carried out with the required wavelength. c) Pumping means, such as a syringe pump. d) One or more adapters. e) Replaceable solid substrate, which is housed in the lower part of the microfluidic cell in an accessible way inside an adapter surrounding the microfluidic cell; allowing its replacement or replacement to continue analysis or change the type of substrate according to the analysis to be carried out.
  • the microfluidic cell hereinafter referred to as a cell, preferably constitutes a single piece, preferably made of polydimethylsiloxane (PDMS) or other flexible and compressible material, where both the fluid inlet and outlet devices and the solid SERS substrate and the optical window are coupled .
  • the central part of the cell has a narrow groove that, together with the solid SERS substrate and the optical window, make up the microfluidic channel.
  • the solid SERS substrate is placed in the lower part of the cell, while, in the upper part, the optical window is located, allowing the access of the electromagnetic radiation to the sample carrier solution.
  • Each of the side holes has the appropriate size to the connectors used for the inlet and outlet of the fluid.
  • syringe or other liquid dispensing device
  • flow flowing through the channel is controlled with a syringe pump (or other pumping means).
  • the flow of sample carrier solution that runs through the microfluidic channel must be laminar, to ensure a correct laser focus Used to perform Raman spectroscopy. Therefore, the flow values used depend on the density and viscosity of the fluid, as well as the size of the channel, which, in the device object of this invention, is adjustable.
  • the cell is inserted into a main adapter, preferably of metal or other rigid material.
  • Said main adapter is composed of two parts that constitute a male and a female.
  • the male is at the bottom and has a projection with the same size and shape as the solid SERS substrate, while the female (upper part of the adapter) has a recess with the same size and shape as those of the microfluidic cell .
  • Both parts are assembled by means of first adjustable fixing means preferably defined in the female so that, once the cell, the SERS substrate and the optical window are placed between the two parts of the adapter, pressure is exerted on the cell by sealing the microfluidic channel
  • the upper part of the adapter has a slot in the same position as the microfluidic channel that allows the channel to be illuminated with a laser to perform SERS spectroscopy.
  • auxiliary adapter In addition to said first adjustable fixing means defined in the female, which as already indicated are adapted to seal the channel; there are second adjustable fixing means intended to allow pressure on an auxiliary adapter housed in the cell hollow, where said second adjustable fixing means in turn allow pressure on the optical window and therefore locally on the cell.
  • Said auxiliary adapter is used to vary the size of the channel continuously and, to avoid damaging the optical window by the pressure exerted, being preferably made of a material that does not scratch or damage the window, preferably of polyretrafluoroethylene (PTFE), which is who exerts pressure on the window.
  • auxiliary adapter has a slot in the same position as the microfluidic channel, which allows the channel to be illuminated with a laser to perform SERS spectroscopy.
  • the continuous control of the geometry of the microfluidic channel allows the adjustment of the flow conditions, ensuring that the flow in the channel is of the type laminate and, therefore, ensuring the correct optical focus of both the incident light and the scattered by SERS effect.
  • Figure 1 Shows a diagram of the PDMS microfluidic cell.
  • Figure 2 Shows top, bottom and side views of the PDMS microfluidic cell.
  • Figure 3 Shows a diagram of the lower and upper parts of the metal adapter to seal the microfluidic channel.
  • Figure 4. Shows the microfluidic cell mounted on the adapter to seal the microfluidic channel.
  • Figure 5a and 5b Respectively show: Figure 5a. a section of the microfluidic cell mounted on the adapter to seal the microfluidic channel.
  • Figure 5b view where they are appreciated: the auxiliary adapter, the second adjustable pressure means, the optical window and the solid substrate.
  • Figure 6 Shows microfotographs of the microfluidic channel in the adapter to seal the microfluidic channel obtained through an optical window located at the top of the microfluidic cell.
  • Figure 7 Shows a drawing of the device coupled in a Raman microscope.
  • Figure 8 Shows a photomicrograph of the laser focused on the solid SERS substrate in the microfluidic cell with a flow of 0.5 ml / min of a solution of benzenethiol in water at a concentration of 10 5 moles / l.
  • Figure 9. Shows the SERS spectra obtained in the microfluidic cell with a flow of 0.5 ml / min of a solution of benzenethiol in water at a concentration of 10 5 moles / l.
  • a device that, coupled in a Raman microscope, allows sample analysis by means of SERS, or other optical spectroscopy technique, and which comprises a microfluidic cell (1) (preferably of flexible and compressible material), with an optical window (a) that is preferably fixed detachably, and adapters (3, b), and which is additionally equipped with a fluid dispensing equipment, which can be a syringe pump
  • a microfluidic cell (1) is used as shown schematically in Figures 1 and 2.
  • Said cell (1) is preferably manufactured in polydimethylsiloxane (PDMS) and comprises a section microfluidic channel (11) preferably square 1 mm side.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • SERS silver nanostructures were used that were deposited by vacuum sputtering on a thin film of PDMS supported on a silicon piece 18x18 mm 2 and 0.5 mm thick.
  • the deposit time was 7.5 minutes at a deposit rate of 1 nm / min.
  • a main adapter (3) comprising a male (32) and a female (31), is used to seal the microfluidic channel (11) by adjustable pressure by means of first adjustable fixing means (331).
  • the channel (1 1) is defined between two PDMS side walls thus generating said channel (1 1) together with an upper wall corresponding to the optical window (a) and a lower wall corresponding to the solid SERS substrate (5).
  • This male-female adapter (3) also has, in view of the foregoing, the function of sealing the microfluidic cell (1) to prevent leakage; for this, by means of the first adjustable fixing means (331) and using Mechanical pressure controlled using preferably eight metric six logs, are fixed homogeneously male (32) and female (31), preferably by means of a torque wrench, thus preventing leakage.
  • auxiliary adapter (b) that can be used to vary the size of the microfluidic channel (11) and which is preferably made of polyretrafluoroethylene (PTFE).
  • Said auxiliary adapter (b) fulfills a double function, on the one hand, it distributes in a more homogeneous way the pressure exerted by the first adjustable fixing means (331) and, on the other hand, it protects the optical window (a) against damages caused by the female of the main adapter (31), once pressure is exerted on the cell (1) by means of the first adjustable fixing means (331).
  • auxiliary adapter (b) has a slot in the same position as the microfluidic channel (11), a slot that allows the channel to be illuminated with a laser to perform SERS spectroscopy, or another type of source to perform any other type of spectroscopy optics.
  • second adjustable fixing means (332) that pass through the female (31)
  • a controlled pressure is exerted on the auxiliary adapter (b) housed in the hollow (2) of the cell (1), so that it can be exert pressure on the optical window (a) and, therefore, locally on the cell (1).
  • second adjustable fixing means (332) it was possible to regulate the size of the microfluidic channel (11) continuously between 1 mm and 0.1 mm.
  • Figure 6 shows micrographs of the channel (11) with different sizes.
  • conical male Luer adapters were used to fluted hose connectors 3/32 inch in diameter made of polypropylene.
  • the fluted hose connectors were connected to flexible silicone tubes 3/32 inch inside diameter and 5/32 inch outside diameter.
  • One of these tubes was attached to a 10 ml plastic syringe. Said syringe was placed in a syringe pump model NE-300 of the New Era Pump Systems, Inc. brand to control the flow through the device.
  • the complete assembled device was placed on the platform of a Raisha microscope model InVia Reflex of the Renishaw brand as shown in Figure 7.
  • a magnification lens 50 with a numerical aperture of 0.35 was used for the laser approach.
  • the wavelength of the laser used is 514.5 nm.
  • the flow of the benzenediol solution in water at a concentration of 10 5 mol / l was 0.5 ml / min and the spectral region corresponding to the tension mode of the carbon-carbon bond of benzenethiol, which appears at 1574 cm 1, was monitored. Said spectral region was monitored continuously every 25.6 seconds, as shown in Figure 9.

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Abstract

Se describe en este documento un dispositivo de microfluídica para SERS. Se describe un dispositivo para la realización de espectroscopía Raman aumentada por superficie o "Surface-Enhanced Raman spectroscopy –SERS" en un canal de microfluídica. Dicho dispositivo constituye una celda de material flexible y compresible, con una ventana óptica, unos adaptadores y medio de bombeo para el control del flujo a través de la celda de microfluídica. El dispositivo objeto de la invención aquí detallada hace uso de los citados adaptadores de tal manera que la ventana óptica permite el paso de luz a la vez que se puede regular el tamaño del canal de microfluídica por el que se hace pasar la solución portadora de muestra de forma continua,mediante un sistema de presión ejercida sobre las paredes del canal.

Description

DISPOSITIVO MICROFLUÍDICO
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OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se enmarca en el campo técnico de la analítica.
Más concretamente, el objeto de la invención va referido a la determinación y cuantificación de sustancias en fluidos haciendo uso de medios ópticos, como es el caso de la espectroscopia, para la detección de trazas químicas en fluidos empleando como método de detección la espectroscopia Raman aumentada por superficie o “Surface-Enhanced Raman spectroscopy - SERS” en su nomenclatura anglosajona. Los sectores de aplicación del dispositivo objeto de esta invención son los de química analítica, biomedicina y ciencia medioambiental. Asimismo, la presente invención tiene aplicación directa en laboratorios e industrias para el control de procesos en fase líquida. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En las últimas décadas, los dispositivos conocidos como“laboratorio en un chip”, o “lab-on-a-chip - LoC” en su nomenclatura anglosajona, han sufrido un desarrollo enorme a escala de laboratorio, iniciándose asimismo la comercialización de determinados productos para análisis específico de, por ejemplo, muestras de sangre o de saliva. Los dispositivos LoC combinan métodos de detección típicos de ensayos de laboratorio con sistemas de microfluídica, permitiendo la miniaturización de procesos de laboratorio, lo que presenta unas claras ventajas frente a los sistemas macroscópicos convencionales para el análisis y detección de moléculas químicas y biológicas. En primer lugar, debido al empleo de volúmenes pequeños, se reduce notablemente la cantidad de agentes químicos empleados en el análisis, así como de los residuos generados. Igualmente importante es el hecho de que el comportamiento de los líquidos en la microescala permite un gran control de las concentraciones e interacciones moleculares. Además, generalmente los dispositivos LoC presentan una alta sensibilidad, siendo capaces de detectar analitos en concentraciones típicas entre 103 y 106 mol/l.
En este tipo de dispositivos, aparte del diseño de los canales de microfluídica, es extremadamente importante el método de detección que se utiliza para el análisis, que idealmente debe ser no sólo altamente sensible sino lo menos invasivo posible, de manera que no se perturbe el sistema a analizar. En este sentido, la espectroscopia Raman, además de ser una técnica no destructiva, constituye una herramienta muy potente para la identificación de compuestos químicos y biológicos. Al contrario que otras técnicas que necesitan del uso de marcadores, como por ejemplo técnicas basadas en fluorescencia, la detección empleando espectroscopia Raman no necesita de una preparación especial de muestra.
No obstante, la espectroscopia Raman presenta una señal débil en comparación con otras técnicas ópticas de detección. Sin embargo, es posible aumentar enormemente la intensidad de la señal Raman mediante el empleo de nanoestructuras plasmónicas. Esto es debido al aumento local del campo eléctrico por un efecto de resonancia del campo eléctrico de la luz incidente y dispersada con los plasmones superficiales localizados, o“Localizad Surface Plasmon Resonance - LSRP” en su nomenclatura anglosajona, que presentan determinadas nanoestructuras. Este hecho constituye la base de la espectroscopia Raman aumentada por superficie o“Surface-Enhanced Raman spectroscopy - SERS” en su nomenclatura anglosajona. Mediante el empleo de espectroscopia SERS es posible alcanzar sensibilidades que llegan a la detección de una única molécula.
Actualmente existen varias aproximaciones para la realización de SERS en canales de microfluídica. La más extendida consiste en la adición de nanopartículas metálicas, como por ejemplo plata u oro, al fluido que se hace circular por el canal de microfluídica. Sin embargo, en estos casos, los surfactantes empleados en la preparación y estabilización de las nanopartículas afectan al espectro SERS. Asimismo, la adición de nanopartículas distorsiona el sistema de estudio y la adsorción de las nanopartículas en las paredes del canal de microfluídica distorsiona con el tiempo la geometría del canal. Además, en general, es necesario funcionalizar las nanopartículas para que interaccionen con el analito puesto que el aumento del campo eléctrico por efecto de LPSR se produce de manera muy local, a distancias del orden de pocos nanómetros de la nanopartícula metálica.
Para evitar la necesidad de funcionalizar químicamente las nanoestructuras, otra aproximación empleada consiste en la fabricación de las nanoestructuras metálicas en el interior del canal de microfluídica, generalmente por métodos litográficos. Sin embargo, la fabricación de nanoestructuras en el interior de un canal de microfluídica presenta grandes dificultades técnicas, así como un elevado coste. Por ello, también se han utilizado sustratos SERS sólidos de tamaño mayor que el canal de microfluídica a los que posteriormente se adhiere una celda de microfluídica. En estos casos, los sustratos SERS son fabricados por métodos más sencillos y económicos que las técnicas litográficas. Sin embargo, en ningún caso el sustrato SERS puede ser reemplazado una vez que este haya sido modificado química o morfológicamente por efecto del fluido en flujo. Dichas modificaciones disminuyen la eficiencia del sustrato SERS y, por tanto, la sensibilidad de detección, siendo necesario fabricar un nuevo dispositivo completo para recuperar la sensibilidad inicial. Además, el espectro SERS se adquiere a través de una fina capa del material de que está hecha la celda microfluídica, comúnmente polidimetilsiloxano (PDMS), con lo que el espectro SERS presenta una contribución de este material.
En el documento Surface enhanced Raman spectroscopy and microfluidic platforms: challenges, Solutions and potential applications Analyst, 2017, DOI:
10.1039/C7 AN00118E.I. Jahn, et al. se describe una serie de problemáticas de los sistemas microfluídicos utilizados en SERS así como las soluciones que se encuentran a día de hoy junto con sus eventuales ventajas e inconvenientes. Dentro del contenido de este documento, se encuentra descrita la problemática referida al reemplazo del sustrato en análisis SERS, así como a las técnicas litográficas en PDMS de uso común en la fabricación de plataformas microfluídicas.
Por otra parte, es conocido que el control del flujo en análisis espectroscópicos es de vital importancia, necesitándose un flujo laminar; en este sentido se tiene que en Zhou, Q. and T. Kim (2016). "Review of microfluidic approaches for surface-enhanced Raman scattering. " Sensors and Actuators B: Chemical 227: 504-514, se describen los dispositivos nano o microfluídicos constituidos en un chip y destinados a metodologías que hacen uso de SERS, los denominados“lab-on-a-chip SERS (LoCSERS) o“nano-, micro-optofluidic SERS". De manera similar, en J. H. Zhou, K. N. Ren, Y. H. Zhao, W. Dai and H. K. Wu, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, 402, 1601-1609) se describe un dispositivo microfluídico que presenta una deformación en la pared del canal, en realidad una membrana elastomérica, que modifica la morfología del paso de muestra mediante presión deformando de esta manera la membrana haciendo que contacte con los contactos del fondo del canal; consiguiendo así que las partículas queden atrapadas para su determinación y/o cuantificación mientras el soluto sigue fluyendo por el canal.
En CN20142232065U se detalla un chip para análisis usando espectroscopia Raman que comprende sustratos: un primer sustrato duro, un segundo sustrato duro paralelo al primer sustrato duro, y una capa metálica que está formada por un material metálico que tiene actividad SERS y que se encuentra dispuesta entre el primer sustrato y el segundo sustrato, extendiéndose desde el primer sustrato duro al segundo sustrato duro; la capa de metal comprende un grupo de columnas de metal formado por una pluralidad de columnas de metal; cada columna de metal se extiende en la dirección del espesor desde el primer sustrato duro al segundo sustrato duro. Mediante esta disposición, se forma un microcanal que permite que se analice el flujo de un líquido entre cada dos columnas de metal adyacentes en el grupo de columnas metálicas. El grupo de columnas es un grupo de columnas metálicas con superficies cilindricas de refuerzo tridimensionales y se encuentra dispuesto en la zona de análisis del chip de tal manera que se incrementa el área de contacto de la zona de análisis y las moléculas.
En CN20141831060 se describe tanto un dispositivo microfluídico transparente para la realización de dispersión Raman como su método de producción, comprendiendo la estructura del dispositivo: un sustrato activo transparente y una capa de estructura microfluídica soportada sobre el sustrato activo transparente y varios microcanales de detección; estando los microcanales dispuestos dentro de la capa de estructura microfluídica y el microcanal de detección en comunicación con una entrada de líquido y una salida de líquido en la capa de estructura microfluídica; y estando el sustrato activo transparente y una superficie de un área correspondiente al microcanal de detección respectivamente provistos de una nanoestructura metálica dispuesta entre la entrada y la salida de líquido. La ventaja que, según este documento, aporta el dispositivo descrito, viene dada por la nanoestructura, la cual aporta consistencia en la señal de detección de dispersión en SERS y permite acortar el tiempo de detección y mejorar la relación señal / ruido SNR de la señal de detección pudiendo detectar varias sustancias simultáneamente y en tiempo real.
Actualmente, no existen dispositivos de microfluídica para SERS que permitan un emplazamiento fácil de sustratos SERS en el canal de microfluídica así como su reemplazo una vez que la eficiencia del mismo se vea disminuida. Esto supondría una ventaja para la reutilización del sistema microfluídico sin necesidad de fabricar el dispositivo completo. Asimismo, un fácil emplazamiento del sustrato SERS en el canal de microfluídica permite la utilización de sustratos optimizados para la detección de la molécula deseada sin necesidad de fabricar un dispositivo completo para cada molécula, es decir, utilizando un mismo sistema microfluídico es posible cambiar el sustrato SERS por uno con las características morfológicas y optoelectrónicas más adecuadas para el análisis requerido. Por otro lado, es deseable que el espectro SERS no presente ninguna contribución de los materiales en que está fabricado el dispositivo, por lo que el uso de ventanas ópticas supone una clara ventaja.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En un aspecto del objeto de la invención se tiene un dispositivo para la detección de trazas químicas en fluidos, empleando como método de detección la espectroscopia Raman aumentada por superficie o“Surface-Enancad Raman Spectroscopy - SERS” en su nomenclatura anglosajona.
El dispositivo objeto de la invención es reutilizable y polivalente, dado que, entre otras características, permite un fácil emplazamiento de sustratos SERS en el canal de microfluídica y, además, ser utilizado en distintos ensayos que hagan uso de distintas longitudes de onda (2), ya que presenta una ventana óptica reemplazable. Asimismo, el dispositivo aquí descrito presenta una serie de características que permiten solucionar algunos, si no todos, los problemas anteriormente citados no solucionados mediante las propuestas conocidas en el arte previo y de gran necesidad en el campo técnico de aplicación del objeto de la invención, gracias a la inclusión en el dispositivo de un par de paredes del conducto de paso de muestra que se encuentran enfrentadas (preferiblemente ubicadas en los laterales de dicho conducto) y que están fabricadas en un material flexible que permite ejercer presión sobre las mismas, de tal manera que el paso de fluido definido por el conducto sufra modificaciones en cuanto a su geometría.
El dispositivo objeto de la invención está principalmente compuesto por los siguientes elementos: a) Celda de microfluídica. b) Ventana óptica desmontable, lo cual permite llevar a cabo distintos ensayos usando radiación electromagnética a distintas longitudes de onda simplemente reemplazando la ventana por una cuyas características ópticas permitan llevar a cabo el análisis con la longitud de onda requerida. c) Medios de bombeo, como puede ser una bomba de jeringa. d) Uno o varios adaptadores. e) Sustrato sólido reemplazable, que se encuentra alojado en la parte inferior de la celda de microfluídica de manera accesible en el interior de un adaptador que rodea la celda de microfluídica; permitiendo su reposición o reemplazo para continuar análisis o cambiar de tipo de substrato según el análisis a llevar a cabo.
La celda de microfluídica, en adelante celda, constituye preferentemente una única pieza, preferentemente fabricada en polidimetilsiloxano (PDMS) u otro material flexible y compresible, donde se acoplan tanto los dispositivos de entrada y salida del fluido como el sustrato SERS sólido y la ventana óptica. La parte central de la celda presenta una ranura estrecha que, junto con el sustrato SERS sólido y la ventana óptica, conforman el canal de microfluídica. El sustrato SERS sólido se coloca en la parte inferior de la celda, mientras que, en la parte superior, se sitúa la ventana óptica, permitiendo el acceso de la radiación electromagnética a la solución portadora de la muestra. Cada uno de los orificios laterales presenta el tamaño adecuado a los conectores que se usen para la entrada y salida del fluido. Estos conectores se conectan por medio de tubos flexibles a una jeringa (u otro dispositivo de dispensación de líquidos) y el flujo que circula por el canal se controla con una bomba de jeringa (u otro medio de bombeo). El flujo de solución portadora de la muestra que discurre por el canal de microfluídica debe ser laminar, para asegurar un enfoque correcto del láser utilizado para realizar espectroscopia Raman. Por tanto, los valores de flujo empleados dependen de la densidad y viscosidad del fluido, así como del tamaño del canal, que, en el dispositivo objeto de esta invención, es regulable.
Para garantizar el correcto sellado del canal de microfluídica evitando fugas del líquido y para la realización de espectroscopia SERS, la celda se introduce en un adaptador principal, preferentemente de metal u otro material rígido. Dicho adaptador principal se compone de dos partes que constituyen un macho y una hembra. El macho se encuentra en la parte inferior y presenta un resalte con el mismo tamaño y forma que el sustrato SERS sólido, mientras que la hembra (parte superior del adaptador) presenta un rebaje con el mismo tamaño y forma que aquellos de la celda de microfluídica. Ambas partes se ensamblan mediante unos primeros medios de fijación regulable definidos preferentemente en la hembra de manera que, una vez que la celda, el sustrato SERS y la ventana óptica están colocados entre las dos partes del adaptador, se ejerce presión sobre la celda sellando el canal de microfluídica. La parte superior del adaptador presenta una ranura en la misma posición que el canal de microfluídica que permite iluminar el canal con un láser para realizar espectroscopia SERS.
Adicionalmente a dichos primeros medios de fijación regulables definidos en la hembra, los cuales como ya se ha indicado están adaptados para sellar el canal; se dispone de unos segundos medios de fijación regulables destinados a permitir ejercer presión sobre un adaptador auxiliar alojado en el hueco de la celda, donde dichos segundos medios de fijación regulables a su vez permiten poder ejercer presión sobre la ventana óptica y por tanto localmente sobre la celda. Dicho adaptador auxiliar se utiliza para variar el tamaño del canal de forma continua y, para evitar dañar la ventana óptica por la presión ejercida, estando preferentemente fabricado en un material que no raye ni dañe la ventana, preferentemente de politretrafluoroetileno (PTFE), que es quien ejerce la presión sobre la ventana. Asimismo, dicho adaptador auxiliar posee una ranura en la misma posición que el canal de microfluídica, que permite iluminar el canal con un láser para realizar espectroscopia SERS.
Por último, el control continuo de la geometría del canal de microfluídica permite el ajuste de las condiciones de flujo, asegurando que en el canal el flujo sea de tipo laminar y, por tanto, asegurando el correcto enfoque óptico tanto de la luz incidente como de la dispersada por efecto SERS.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Muestra un esquema de la celda de microfluídica de PDMS.
Figura 2. Muestra vistas superior, inferior y lateral de la celda de microfluídica de PDMS.
Figura 3. Muestra un esquema de las partes inferior y superior del adaptador metálico para sellar el canal de microfluídica.
Figura 4. Muestra la celda de microfluídica montada en el adaptador para sellar el canal de microfluídica.
Figura 5a y 5b. Respectivamente muestran: Figura 5a. una sección de la celda de microfluídica montada en el adaptador para sellar el canal de microfluídica. Figura 5b. vista donde se aprecian: el adaptador auxiliar, los segundos medios de presión regulable, la ventana óptica y el sustrato sólido.
Figura 6. Muestra microfotografías del canal de microfluídica en el adaptador para sellar el canal de microfluídica obtenidas a través de una ventana óptica emplazada en la parte superior de la celda de microfluídica.
Figura 7. Muestra un dibujo del dispositivo acoplado en un microscopio Raman.
Figura 8. Muestra una microfotografía del láser enfocado en el sustrato SERS sólido en la celda de microfluídica con un flujo de 0.5 ml/min de una disolución de bencenotiol en agua a una concentración de 105 moles/l. Figura 9. Muestra los espectros SERS obtenidos en la celda de microfluídica con un flujo de 0.5 ml/min de una disolución de bencenotiol en agua a una concentración de 105 moles/l.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En una realización preferente del objeto de la invención, se tiene un dispositivo que, acoplado en un microscopio Raman, permite llevar a cabo análisis de muestras mediante SERS, u otra técnica de espectroscopia óptica, y que comprende una celda (1) de microfluídica (preferentemente de material flexible y compresible), con una ventana óptica (a) que preferiblemente se encuentra fijada de manera desmontable, y unos adaptadores (3, b), y que adicionalmente se equipa con un equipo de dispensación de fluidos, que puede ser una bomba de jeringa.
A la vista de las figuras, se describe a continuación un ejemplo del modo de realización preferente del dispositivo objeto de esta invención, así como su uso para la detección de bencenotiol en una disolución acuosa a una concentración 10 5 mol/l. Para ello se hace uso de una celda (1) de microfluídica como la que se muestra esquemáticamente en las Figuras 1 y 2. Dicha celda (1) se fabrica preferentemente en polidimetilsiloxano (PDMS) y comprende un canal (11) de microfluídica de sección preferiblemente cuadrada de 1 mm de lado. Como ventana óptica (a), se hizo uso de una ventana circular de sílice fundida de 1 mm de espesor y 10 mm de diámetro. Como sustrato (5) SERS sólido, se emplearon nanoestructuras de plata que fueron depositadas mediante“sputtering” en vacío sobre un filme fino de PDMS soportado sobre un trozo silicio de 18x18 mm2 y 0.5 mm de espesor. El tiempo de depósito fue de 7.5 minutos a un ritmo de depósito de 1 nm/min.
Un adaptador (3) principal, que comprende un macho (32) y una hembra (31), se emplea para sellar el canal (11) de microfluídica mediante presión ajustable mediante unos primeros medios de fijación regulables (331). El canal (1 1) queda definido entre dos paredes laterales de PDMS generando así dicho canal (1 1) junto con una pared superior correspondiente a la ventana óptica (a) y una pared inferior correspondiente al sustrato (5) SERS sólido. Este adaptador (3) macho-hembra tiene, asimismo, a la vista de lo anterior, la función de sellar la celda (1) de microfluídica para evitar fugas; para ello, mediante los primeros medios de fijación regulables (331) y haciendo uso de presión mecánica controlada usando preferentemente ocho tronillos de métrica seis, se fijan de forma homogénea macho (32) y hembra (31), preferiblemente mediante una llave dinamométrica, evitando así fugas.
Asimismo, se tiene un adaptador auxiliar (b) que se puede utilizar para variar el tamaño del canal (11) de microfluídica y que preferentemente está fabricado en politretrafluoroetileno (PTFE). Dicho adaptador auxiliar (b) cumple una doble función, por un lado, distribuye de forma más homogénea la presión ejercida por los primeros medios de fijación regulables (331) y, por otro lado, protege la ventana óptica (a) frente a daños provocados por la hembra del adaptador principal (31), una vez se ejerza presión sobre la celda (1) mediante los primeros medios de fijación regulables (331). Además, el adaptador auxiliar (b) posee una ranura en la misma posición que el canal (11) de microfluídica, ranura que permite iluminar el canal con un láser para realizar espectroscopia SERS, u otro tipo de fuente para realizar cualquier otro tipo de espectroscopia óptica.
Mediante unos segundos medios de fijación regulables (332) que atraviesan la hembra (31) se procede a ejercer presión controlada sobre el adaptador auxiliar (b) alojado en el hueco (2) de la celda (1), de tal manera que se puede ejercer presión sobre la ventana óptica (a) y, por tanto, localmente sobre la celda (1). Mediante estos segundos medios de fijación regulables (332), fue posible regular el tamaño del canal (11) de microfluídica de forma continua entre 1 mm y 0.1 mm. En la Figura 6 se muestran microfotografías del canal (11) con distintos tamaños.
Una vez ensamblados, la celda (1) de microfluídica, la ventana óptica (a), el segundo adaptador (b) y el sustrato (5) SERS sólido, una vez fijado el adaptador (3), se tiene un resultado como el que se muestra en la Figura 3; donde la hembra (31), que se ubica en la parte superior del dispositivo, presenta una ranura (34) que queda ubicada alineada en la misma posición que el canal de microfluídica (11).
Como conectores para la entrada y salida del fluido, se emplearon adaptadores Luer macho cónicos a conectores de manguera estriados de 3/32 de pulgada de diámetro fabricados en polipropileno. Los conectores de manguera estriados se conectaron a tubos de silicona flexibles de 3/32 de pulgada de diámetro interior y 5/32 de pulgada de diámetro exterior. Uno de estos tubos se acopló a una jeringa de plástico de 10 mi. Dicha jeringa se colocó en una bomba de jeringa modelo NE-300 de la marca New Era Pump Systems, Inc. para controlar el flujo a través del dispositivo.
El dispositivo completo ensamblado se colocó sobre la plataforma de un microscopio Raman modelo InVia Reflex de la marca Renishaw como se muestra en la Figura 7. Para el enfoque del láser, se utilizó un objetivo de magnificación 50 con una apertura numérica de 0.35. La longitud de onda del láser empleado es de 514.5 nm. El flujo de la disolución de bencenotiol en agua a una concentración de 105 mol/l fue de 0.5 ml/min y se monitorizó la región espectral correspondiente al modo de tensión del enlace carbono-carbono del bencenotiol, que aparece a 1574 cm 1. Dicha región espectral se monitorizó de forma continua cada 25.6 segundos, como se muestra en la Figura 9.

Claims

1. Dispositivo microfluídico, que comprende:
a. una celda (1) de microfluídica, que comprende al menos una entrada de flujo y al menos una salida de flujo,
b. un canal (11) de microfluídica, definido en la celda (1), entre la entrada de flujo y la salida de flujo, y por el cual discurre la muestra en una solución portadora,
c. un sustrato (5) SERS sólido ubicado en el interior de la celda (1), y d. una ventana óptica (a) alojada en un hueco (2) de la celda (1) y destinada a permitir la iluminación de la solución portadora por parte de una radiación electromagnética,
estando el dispositivo caracterizado por que comprende adicionalmente:
e. un adaptador principal (3) que comprende:
i. una hembra (31), ubicada sobre la celda (1), y que a su vez comprende una ranura (34) destinada a permitir el paso de luz a través de la hembra (31), estando la hembra (31) ubicada de tal manera que la posición de la ranura (34) permite el paso de luz a través de la ventana (a) de la celda (1),
¡i. un macho (32) ubicado debajo de la celda (1), MI. unos primeros medios de fijación regulables (331) destinados a unir el macho (32) y la hembra (31), sellando la celda (1) de microfluídica para evitar fugas, y
iv. unos segundos medios de fijación regulables (332), que atraviesan la hembra (31), y que están adaptados para ejercer presión controlada sobre un adaptador auxiliar (b) alojado en el hueco (2) de la celda (1), donde el adaptador auxiliar (b) se encuentra configurado para transmitir a la ventana óptica (a) y, por tanto, localmente sobre la celda (1), la presión recibida de los segundos medios de fijación regulables (332).
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , caracterizado por que los segundos medios de fijación regulables (332) están configurados para regular tamaño del canal (11) a través de la presión controlada.
3. Dispositivo según reivindicación 1 caracterizado porque el adaptador auxiliar (b) se encuentra adicionalmente configurado para proteger la ventana (a).
4. Dispositivo según reivindicación 1 caracterizado porque la ventana (a) se encuentra fijada de manera desmontable.
5. Dispositivo según reivindicación 1 caracterizado porque el sustrato (5) se encuentra fijado de manera desmontable.
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