A água utilizada em todos os experimentos foi purificada em um sistema da Millipore, modelo Simplicity. Neste sistema, a alta resistividade da água (18,2 Mcm-1, a 25 ºC) é obtida através de um processo de deionização e osmose reversa. Adicionalmente, passa por luz UV e um filtro microporoso onde bactérias e partículas com diâmetros superiores a 0,22 μm são removidas [43]. A água produzida é comumente denominada de ultrapura ou “água Milli-Q”.
Todos os filmes LbL produzidos e analisados foram adsorvidos sobre lâminas de quartzo, previamente limpas em uma solução contendo 5 partes de água ultrapura, 1 parte de hidróxido de amônio (NH4OH) e 1 parte de peróxido de hidrogênio (H2O2), aquecida a 80oC durante 10 minutos. Após o resfriamento à temperatura ambiente, as lâminas foram retiradas e enxaguadas abundantemente em água destilada, sendo posteriormente armazenadas em um recipiente contendo água Milli-Q.
A quitosana foi processada com ácido acético, sob agitação contínua durante 24 horas. O ácido poli(estirenosulfônico) (PSS), da Aldrich®, foi utilizado como agente aniônico, sendo diluído diretamente em água e seu pH controlado com a adição de ácido clorídrico. 250
mL de solução de HCl 1% foram utilizados como solução de lavagem durante a fabricação
dos filmes automontados. Todas as soluções de polieletrólitos utilizadas estavam na concentração de 1,6 mg/mL, e tiveram seu pH ajustado para o mesmo valor (pH = 3,0), pois as forças de interação citadas na seção 3.3.1 e a estrutura da camada adsorvida dependem fortemente do valor do pH [41] e da força iônica.
Poli(alilamina hidroclorada) (PAH), da Aldrich®, foi utilizada como policátion na fabricação do filme LbL de PPy. As soluções de PPy e PAH foram feitas através da dissolução dos reagentes em solução aquosa de cloreto de sódio (NaCl), a qual havia sido previamente preparada na concentração de 0,5 M. As soluções finais de PAH e PPy estavam neutras [44], não havendo necessidade de ajustar os valores de seus pHs. Adicionalmente, a concentração do reagente comercial no volume final das soluções preparadas foi de 1 mg/mL.
3.3.3FabricaçãodosfilmesLbL
Filmes LbL foram depositados mecanicamente sobre as regiões interdigitadas de alguns eletrodos com o auxílio de um equipamento Nima DC 562 – Technology. Ademais, as deposições foram realizadas simultaneamente em lâminas de quartzo, previamente hidrofilizadas, para que pudéssemos monitorar o crescimento dos filmes através de medidas de espectrofotometria de absorção UV–vis.
As deposições dos filmes de PAH/PPy foram feitas através da imersão dos substratos na solução de PAH durante 900 s; na seqüência, os substratos eram lavados com água Milli-Q durante 60 s e, então, imersos por mais 900 s na solução de PPy. Finalmente, repetia-se o processo de lavagem (60 s), completando o processo de deposição de uma bicamada.
Quanto às deposições dos filmes LbL de Quit/PSS, os tempos de imersões foram de 180 s nas soluções dos polieletrólitos e 120 s nas soluções de lavagem (água Milli-Q, pH 3).
4–ResultadoseDiscussões
4.1Escolhadosdesigns
Com o “tongue-on-a-chip” (TOC) em mente, procuramos na literatura embasamento teórico para escolhermos as configurações e dimensões do microcanal e eletrodos a serem fabricados. Inicialmente, optamos pela simplicidade de um microcanal reto com largura “L = 100 μm” e profundidade “p = 20 μm”, pois este design minimiza os efeitos de forças inerciais, que são inerentes ao percurso de escoamento como, por exemplo, a presença de curvas e/ou variação nas dimensões (estreitamento/alargamento) do microcanal [11]. Considerando as condições experimentais (tais como fluido utilizado e sua vazão pelo microcanal) e as equações da seção 2.2, constatamos que os números de Reynolds associados aos chips fabricados (Re ~ 2,8) estão contidos no intervalo de valores típicos de dispositivos de microfluídica (10-6 < Re < 10), o que garante escoamentos laminares. Este fato, por sua vez, implica em uma maior reprodutibilidade dos resultados obtidos.
Quanto aos eletrodos interdigitados, mantivemos a mesma configuração utilizada no sistema de “língua eletrônica” que temos trabalhado ao longo dos últimos anos, ou seja, fabricação de eletrodos interdigitados de ouro (ou platina) sobre lâminas de vidro. Os primeiros eletrodos fabricados foram projetados com as dimensões listadas na Tabela IV: Tabela IV – Dimensões dos microeletrodos.
Características dos dígitos IDE 1 IDE 2
Número de dígitos N 30 30
Largura w (μm) 50 100
Espaçamento s (μm) 50 100
Comprimento (a) L (mm) 0,1 0,1
Constante de cela
ț
cela (mm) 1,45 1,45Na Figura 13 está ilustrado um eletrodo interdigitado com N = 10 dígitos.
Figura 13 – Representação esquemática de um microeletrodo cortado por um microcanal de largura L.
A escolha das dimensões dos IDEs, apresentadas na Tabela IV, foi feita de maneira que os eletrodos possuíssem valores de constantes de cela idênticos ou muito próximos. Desta forma, facilitaríamos a análise posterior das medidas de espectroscopia de impedância elétrica, pois seria um parâmetro a menos para nos preocuparmos, além de optarmos por uma configuração que garantisse maior rendimento de fabricação no ambiente semi-limpo do Laboratório de Microfabricação do LNLS.
Uma vez definidas as dimensões dos eletrodos interdigitados e a configuração do microcanal, o passo seguinte foi realizar o desenho em um software apropriado (AutoCAD) e enviá-lo para uma empresa especializada em serviços de fotoplotagem de alta resolução. Finalmente, com o fotolito (filme transparente de acetato sobre o qual o desenho foi impresso) em mãos, e contando com o conhecimento e equipamentos do grupo do Laboratório de Micro- Fabricação/LNLS, iniciamos o processo de fabricação dos dispositivos da maneira descrita na seção 3.2.
Apesar da ótima infra-estrutura oferecida pelo Laboratório de Micro-Fabricação/LNLS (sala semi-limpa de litografia com capelas, fluxo laminar, luz amarela, etc.) e toda cautela tomada, os eletrodos obtidos apresentaram imperfeições inerentes ao processo de fabricação. Tais imperfeições consistem, basicamente, em disparidades com relação ao espaçamento (s) e à largura (w) dos dígitos devido à qualidade da resolução de impressão do fotolito, observados
w s
L
N=10
mediante inspeção com microscópio óptico (OLYMPUS BH-2). Em média, os dígitos dos eletrodos fabricados apresentaram variações de aproximadamente 2 μm em relação aos valores listados na Tabela IV.
Constatamos com um perfilômetro (Surface Profiler, DEKTAK3 ST, Veeco) que o molde utilizado para a construção dos microcanais em PDMS apresentou altura entre 20 μm e 21 μm; resultado muito bom, já que esperávamos obter microcanais com profundidade de 20 μm.
Na seqüência, foi realizada a selagem do dispositivo (junção dos eletrodos interdigitados de ouro sobre lâmina de vidro com os microcanais em placa de PDMS) via exposição a plasma de O2, conforme descrito na seção 3.2.4. Apesar da selagem entre vidro e PDMS ser muito boa, quando depositamos um filme ultrafino sobre o eletrodo interdigitado (polipirrol, por exemplo) a selagem do dispositivo fica seriamente comprometida. Portanto, os resultados apresentados a seguir referem-se apenas a dispositivos selados sem a presença de filmes poliméricos na região dos IDEs. Neste ponto, cabe salientar que a tentativa de depositar filmes ultrafinos sobre os eletrodos interdigitados está relacionada ao tipo de “língua eletrônica” que trabalhamos, que envolve medidas de espectroscopia de impedância elétrica de um conjunto de eletrodos metálicos cobertos com diferentes filmes ultrafinos [35].
4.2Medidaselétricas:adaptaçõesnosetupexperimental
Os primeiros testes foram realizados com o chip selado e sem filme, ligado diretamente ao medidor de impedância Solartron 1260A. Como referências, foram feitas medidas com o microcanal vazio (apenas com ar) antes e após as medidas com água Milli-Q. Adicionalmente, as medidas com água foram feitas de duas maneiras:
1ª) estáticas –realizadas com água em repouso no interior do microcanal;
2ª) fluxo manual – com o auxílio de uma micro-seringa, injetando água no reservatório de entrada (inlet), tentando-se manter uma vazão constante.
100 101 102 103 104 105 106 107 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 estática, IDE_2 estática, IDE_1 fluxo, IDE_1 ar, IDE_1 inlet outlet 3,5 cm micro canal IDE_2 IDE_1 Freqüência (Hz) Capacitân cia (F)
Na Figura 14 são apresentadas medidas de espectroscopia de impedância em um dos primeiros chips fabricados.
Figura 14 – Chip composto por dois eletrodos interdigitados e um microcanal. Ao lado direito, curvas de
“capacitância em função da freqüência”, obtidas com o Solartron 1260A.
Na Figura 14 podemos observar fortes ruídos nas curvas de capacitância na região das baixas freqüências, e que o escoamento do fluido, feito manualmente, proporciona um decréscimo nos valores medidos em freqüências intermediárias (região de kHz). Acreditamos que em fluxo uma menor quantidade de íons fique agregada ao sistema, gerando os deslocamentos observados. Ainda na Figura 14 notamos que, apesar dos eletrodos interdigitados (IDE_1 e IDE_2) possuírem dimensões distintas, todas as curvas de capacitância tendem para ~ 1x10-11 F em altas freqüências. É sabido que os valores de capacitância medidos na região de freqüências elevadas dependem da geometria do eletrodo utilizado e, como mencionado anteriormente, estes foram projetados para apresentar constantes de cela
N
Cell iguais, em torno de 1,45 mm, o que justifica a convergência dascurvas para um mesmo valor de capacitância em altas freqüências no gráfico acima.
Após algumas conversas e reflexões, buscamos soluções que melhorassem as condições experimentais das medidas elétricas. Na seqüência, apresentamos algumas das adaptações e alterações realizadas.
Na Figura 15A, o conector (elemento verde) facilita a fixação do chip à mesa, evitando possíveis deslocamentos durante a realização das medidas, permitindo ainda que o contato elétrico entre o chip e o impedancímetro seja estabelecido de maneira mais rápida e eficiente que soldas convencionais.
Figura 15 – Chip (A) conectado ao impedancímetro (B) através de uma interface dielétrica (C).
O uso da interface dielétrica 1296 (item C da Figura 15) melhora sensivelmente a relação sinal/ruído, atuando como um “filtro”, principalmente na região de baixas freqüências, como ilustrado na Figura 16.
100 101 102 103 104 105 106 10-11 10-10 10-9 10-8 Capacitância (F) Freqüência (Hz) AR agua milliQ Solartron Interface
Figura 16 – Solartron vs. Interface: medidas estáticas.
C
A
B
Além de melhorar a qualidade dos resultados obtidos com o uso da interface dielétrica 1296, precisávamos solucionar o “problema do fluxo”, pois o manual, descrito anteriormente, traz alguns inconvenientes. A saber:
i) apesar do esforço do operador para manter o fluxo manual estável, há variações na vazão do fluido, tornando difícil a reprodutibilidade de medidas;
ii) devido às minúsculas dimensões do microcanal, a injeção de fluido pelo reservatório de entrada (inlet), mesmo com o uso de uma micro-seringa, implica em uma elevada pressão
interna, comprometendo a selagem da placa de PDMS sobre os eletrodos metálicos, causando vazamentos no dispositivo, inviabilizando sua aplicação.
Para contornar tais problemas adaptamos uma bomba de vácuo de laboratório ao nosso setup experimental, como ilustrado nas Figuras 17 e 18.
Figura 18 – Detalhe da conexão do chip à interface dielétrica e à bomba de vácuo.
A bomba de vácuo utilizada não dispõe de um sistema de controle da velocidade do fluxo (fluxômetro), entretanto, proporciona fluxo mecânico “comportado e reprodutível”, comparativamente aos resultados obtidos com fluxo manual, como apresentado na Figura 19.
101 102 103 104 105 10-11 10-10 10-9 10-8 Capacit ância (F) Frequência (HZ) fluxo manual fluxo mecânico
Figura 19 – Influência do comportamento do fluxo na resposta elétrica.
Além do bom comportamento e reprodutibilidade, o fluxo mecânico gerado pela bomba de vácuo não compromete a selagem dos chips. Apenas estes benefícios já seriam suficientes para utilizarmos definitivamente a bomba de vácuo; mas, adicionalmente, este tipo de medida em que o fluxo é gerado por sucção possibilita a fabricação de chips sem a necessidade da selagem a plasma, o que, aparentemente, abre portas para a deposição dos
filmes poliméricos sobre a região dos dígitos de maneira mais simples, aumentando nossas expectativas para trabalhos futuros.
4.3Presençadaduplacamadanasmedidaselétricas
Como descrito na seção 2.4, a formação de dupla camada elétrica é um fenômeno importante nas medidas de espectroscopia de impedância, pois domina a resposta do sistema eletrodo-eletrólito na região de freqüências abaixo de 50 Hz [17]. Adicionalmente, o tempo de espera necessário para a estabilização do sinal medido está associado à formação desta barreira elétrica [17].
A fim de investigar a influência da dupla camada elétrica no chip que estamos desenvolvendo, foram realizadas medidas de capacitância em função da freqüência na região de 1 Hz a 1 MHz, em um intervalo de 100 minutos. As aquisições foram realizadas de duas maneiras: com a água estática no interior do microcanal, ou com a água escoando por ele. Como mencionado na seção anterior, utilizamos a bomba mecânica de sucção para produzir o fluxo e, além disso, o microcanal foi projetado e fabricado de maneira que o número de Reynolds associado a ele seja suficientemente pequeno, garantindo um escoamento laminar.
Os resultados abaixo são referentes às medidas realizadas com o eletrodo grande (IDE_1 da Figura 14) de um dos chips do primeiro lote que fabricamos no LNLS: através de exposição a plasma de O2 a placa de PDMS contendo o microcanal foi selada junto ao substrato de vidro onde havíamos gravado os eletrodos.
Como ilustrado na Figura 20, e anteriormente mencionado, o escoamento do líquido analisado (medidas com fluxo) promove uma redução nos valores das capacitâncias. Podemos observar que tal redução está confinada à região de frequências intermediárias (10 Hz – 10 kHz).
100 101 102 103 104 105 106 10-11 10-10 10-9 1 2 34 5 6 7 8 91011121314151617 181920212223242526 272829 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 505152535455565758596061 A B CD E F G H I J K L MN O P QR S T U VWX YZAA ABAC AD AE AF AG AH AI AJ AK AL AM AN AO AP AQ AR AS AT AU AVAW
AXAYAZBABBBCBDBEBFBGBHBI a b c d e f g h i j k lm n o p q r s t u v w xy zaa abac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au avaw axayazbabbbcbdbebfbgbhbi 1 2 34 5 6 7 8 91011 121314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 3334 353637383940414243444546474849505152535455565758596061 A B CD E F G H I J KL M N O P Q R S T U V W X Y Z AA AB AC AD AE AF AG AH
AIAJAKALAMANAOAPAQARASATAUAVAWAXAYAZBABBBCBDBEBFBGBHBI
a b cd e f g h ij kl mn o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai ajakalamanaoapaqarasatauavawaxayazbabbbcbdbebfbgbhbi 1 2 34 5 6 7 8 91011 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 3233 34 353637383940414243444546474849505152535455565758596061 A B CD E F G H I J KLM N O P Q R S T U V W X Y Z AA AB AC AD AE AF AGAH
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a b cd e f g h ij k lm n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af agah ai ajakalamanaoapaqarasatauavawaxayazbabbbcbdbebfbgbhbi Cap acit ânc ia ( F ) 1kHz estática fluxo Frequência (Hz)
Figura 20 – Medidas estáticas vs. fluxo.
Analisando a Figura 20 podemos notar também que há uma maior dispersão dos valores referentes às medidas estáticas, conforme indicado pela seta vermelha. Para facilitar a análise, os valores de capacitâncias na frequência de 1 kHz foram graficados em função do tempo e estão apresentados na Figura 21.
0 20 40 60 80 100 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Capacitância (n F) em 1kHz Tempo (min) estática fluxo
Figura 21 – Variação temporal da capacitância.
Em relação às medidas com fluxo, observa-se que os valores de capacitância se mantêm praticamente constante durante o todo o experimento. Por outro lado, nas medidas
estáticas verifica-se que a capacitância varia drasticamente em função do tempo, existindo a necessidade de se esperar um grande período para que o sistema estabilize.
Lembrando que as partículas carregadas provenientes da solução se acumulam sobre o eletrodo de maneira a manter a neutralidade elétrica da interface eletrodo-solução, supomos que os íons próximos desta interface atingem a posição de equilíbrio mais rapidamente, contribuindo para a elevada taxa de variação da capacitância observada nos primeiros minutos. Adicionalmente, o incremento no campo elétrico associado à chegada de cada novo íon dificulta a aproximação de outros que se encontravam mais afastados, de modo que a taxa de formação da dupla camada elétrica vai se reduzindo, conforme observado na Figura 21.
O resultado acima é altamente relevante, pois além da miniaturização do dispositivo conseguimos redução no tempo necessário para realizar as aquisições de dados.