Introdução

O desenvolvimento e a aplicação de microssistemas de eletroforese (MSE) em laboratórios de química analítica e bioanalítica vêm crescendo significativamente nos últimos anos[1-5]. Estes dispositivos apresentam algumas vantagens sobre a instrumentação convencional de eletroforese capilar (CE), incluindo o consumo reduzido de amostra e eletrólito, tempo de análise inferior, auto processamento da amostra e maiores eficiências de separação[1,2]. Quando comparado com CE convencional, valores de potenciais elétricos de menor magnitude são aplicados em MSE devido ao menor comprimento dos microcanais utilizados para separação. Isso torna possível o uso de fontes de alta tensão miniaturizadas[1-3], com potenciais de até 5 kV, possibilitando o desenvolvimento de microssistemas portáteis. Os MSE podem ser fabricados em uma grande variedade de materiais (substratos), usando tecnologias fotolitográficas convencionais bem como métodos alternativos para prototipagem rápida[1-5].

O vidro é o substrato mais popular utilizado na fabricação de MSE. Essa popularidade deve-se à similaridade da superfície do vidro com a superfície dos capilares de sílica fundida[6-8]. Além disso, o vidro apresenta outras vantagens para aplicação em sistemas microfluídicos, incluindo transparência óptica alta, isolamento elétrico adequado e reatividade química baixa. Convencionalmente, os dispositivos de vidro são fabricados através de processos fotolitográficos combinados com corrosão química em via úmida[4-11]. Algumas desvantagens estão relacionadas com o custo final e a dificuldade de fabricação. A produção destes dispositivos requer o acesso a salas limpas e o manuseio de soluções ácidas altamente corrosivas como o ácido fluorídrico (HF), por exemplo[5,10]. Adicionalmente, a técnica de selagem térmica, que é freqüentemente utilizada para promover a vedação dos microcanais em vidro, é laboriosa, requer temperaturas elevadas (∼ 550 – 650 °C) e apresenta repetibilidade baixa[5].

As desvantagens relacionadas à fabricação de microssistemas em vidro têm estimulado a investigação de materiais alternativos. Em especial, a produção de dispositivos microfluídicos em substratos poliméricos vem conferindo considerável interesse devido à sua biocompatibilidade, flexibilidade, custo reduzido e facilidade de fabricação[12-15]. Além disso, um grande número de microdispositivos pode ser fabricado usando um único molde e a produção destas réplicas não requer ambiente limpo nem a necessidade de temperaturas elevadas para promover a selagem. Essas vantagens permitiram que de vários grupos de pesquisa introduzissem MSE em suas linhas de pesquisa[12-15].

Atualmente, a fabricação de MSE pode ser realizada em uma variedade de polímeros incluindo o poli(metil metacrilato) (PMMA)[16-18], poli(carbonato) (PC)[19,20], poli(etileno tereftalato) (PET)[21], poliéster termo-sensível[22,23], poliéster-toner (PT)[24-26], poli(uretana) (PU)[27], polímero termoplástico à base de olefina de estrutura amorfa (TOPAS)[28] e o poli(dimetilsiloxano) (PDMS)[29-33]. Os microcanais poliméricos podem ser fabricados através de processos convencionais ou alternativos como ablação a laser[34], litografia suave[27,29-33], litografia por impressão[35], estampagem a quente[15,20], moldagem por injeção[36] e impressão direta[24-26,37]. Informações adicionais a respeito das tecnologias de microfabricação podem ser encontradas em artigos de revisão publicados recentemente, os quais apresentam, em detalhes, os processos convencionais[5,9,12].

Dentre os materiais poliméricos, o PDMS é o substrato mais utilizado para aplicações microfluídicas[15,33]. Este material é elastomérico, barato, possui boa transparência óptica e pode ser também usado para construir válvulas e bombas[32,38]. Outra vantagem significativa do PDMS é sua capacidade de selagem contra qualquer superfície plana, reversível ou irreversivelmente, sem distorção dos canais resultantes. Um elemento essencial para a prototipagem de microcanais em PDMS é a produção de um molde contendo a configuração desejada em alto relevo. Este molde pode ser fabricado em fotorresiste (como o SU-8, por

exemplo), silício ou níquel[29,32]. As desvantagens do PDMS incluem sua característica hidrofóbica, a qual pode levar à adsorção dos analitos e à difusão de oligômeros não polimerizados na parede do canal, os quais acarretam na alteração do fluxo eletrosmótico em função do tempo[29,32]. Em geral, a efiência da separação analítica neste material é inferior à eficiência obtida em microssistemas fabricados em vidro[39].

De todas as tecnologias de microfabricação, o processo de impressão direta é o mais simples, o mais rápido e o mais barato para a obtenção de dispositivos microfluídicos[24-26,37]. Como descrito no Capítulo 1, este processo baseia-se na impressão direta de dispositivos em uma folha de transparência (filme de poliéster) usando uma impressora laser. Durante a impressão, uma camada fina de toner é depositada sobre o filme de poliéster, sendo que a região microfluídica é definida por linhas brancas (região sem toner). O dispositivo impresso é então laminado contra um filme de poliéster branco (sem toner), ou contra uma imagem especular do dispositivo, produzindo dispositivos com uma camada simples de toner (CST) ou com uma camada dupla de toner (CDT). Desse modo, canais com altura de 6 ± 1 µm ou 12 ± 2 µm são obtidos para CST ou CDT, respectivamente. O acesso aos microcanais é obtido com a perfuração de orifícios na região dos reservatórios com um perfurador de papel[24,25,37]. Este método simples e barato vem sendo usado para fabricar MSE em PT com detecção eletroquímica integrada[24-26,40]. Técnicas de microfabricação usando a impressão direta em um ou mais estágios vêm sendo empregadas para a produção de dispositivos para mistura de soluções[41], moldes de toner para prototipagem de microcanais poliméricos[42-44], microssistemas em vidro-toner[45,46], vidro-vidro[47] e microeletrodos usando discos compactos graváveis (CD-R)[25,48-50], como fonte metálica de custo reduzido.

2.1.1. Objetivos

O objetivo principal deste trabalho visa o estudo comparativo do desempenho analítico de microcanais eletroforéticos fabricados em PT com o desempenho de outros substratos convencionais, como o vidro, PDMS (nativo e oxidado) e dispositivos híbridos de PDMS/vidro. Os dispositivos em PT têm proporcionado uma alta potencialidade para MSE e apresentam várias vantagens sobre os substratos convencionais em termos de custo, tempo de fabricação e, principalmente, instrumentação necessária para microfabricação. Por esse motivo, uma comparação direta dos chips em PT com os materiais convencionais é necessária de modo que pesquisas futuras possam ser conduzidas com o conhecimento amplo das características eletroforéticas deste substrato. Para realizar uma comparação precisa entre os substratos, todos os tipos de microcanais foram fabricados com dimensões similares. Para o estudo comparativo, a detecção por fluorescência induzida a laser (LIF, laser-induced

fluorescence) foi utilizada para evitar qualquer perda em eficiência devido à configuração do

detector. Os parâmetros eletroforéticos como fluxo eletrosmótico (EOF), dissipação de calor, repetibilidade de injeção eletrocinética, eficiência de separação e a contribuição da parede do canal para o alargamento da zona eletroforética foram estudados.

Secundariamente, esse o desenvolvimento deste trabalho tem como objetivo escolher a melhor plataforma para confecção de dispositivos biomoleculares com eletrodos integrados para detecção condutométrica sem contato. Neste caso, a etapa de selagem é bastante crítica de modo a evitar a danificação do material metálico bem como a degradação do material biológico imobilizado. A construção dos dispositivos biomoleculares será detalhada no Capítulo 4, levando em consideração os resultados analíticos descritos neste Capítulo.