مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی و ساخت ترانزیستور دوحالته میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در سال‌های اخیر، دستگاه‌های میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ به‌طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، ناتوانی در کنترل دقیق و هم‌زمان سیالات مختلف، یکی از چالش‌های اصلی تراشه‌های میکروفلویدیک کاغذی به‌شمار می‌رود. در اینجا، با الهام از مدارهای الکتریکی، قطعه‌ای به نام ترانزیستور برای استفاده در تراشه‌های میکروفلویدیک کاغذی طراحی و ساخته شده است. این قطعه، با دریافت فرمان الکتریکی، حرکت سیال را در یک کانال میکروفلویدیک کاغذی کنترل می‌کند. مزیت اصلی این ترانزیستور، عملکرد دوحالته آن (توانایی باز و بسته کردن کانال) با وجود ساختار ساده‌اش است. عملکرد این قطعه مبتنی بر حرکت کنترل‌شده موم در سطح مقطع کاغذ است که با حرارت تولیدشده توسط جریان الکتریکی اعمالی به پایه تحریک ترانزیستور انجام می‌شود. به‌منظور مشخصه‌یابی این ترانزیستور، کمیت‌های مؤثر در عملکرد آن بررسی شدند. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهند که در کانالی به‌طول تقریبی 25 میلی‌متر، با عرض‌های 2 و 3 میلی‌متر و طول بخش آب‌گریز 2 و 3 میلی‌متر، می‌توان با اعمال جریان الکتریکی حدود ۱۳۰۰ میلی‌آمپر به پایه تحریک ترانزیستور، در زمانی کمتر از 35 ثانیه، سیالی با حجم 30 تا 40 میکرولیتر را کنترل نمود. علاوه بر این، به‌عنوان نمونه‌ای کاربردی از این ترانزیستور، مدار حسگری برای تشخیص محیط‌های بازی و اسیدی طراحی و ساخته شد. ترانزیستور معرفی شده با افزایش قابلیت کنترل سیالات در تراشه‌های میکروفلویدیک، نقشی کلیدی در توسعه این فناوری ایفا می‌کند. تراشه‌های میکروفلویدیک مبتنی بر کاغذ مجهز به این ترانزیستور می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های تشخیص پزشکی، آزمایش‌های چندمرحله‌ای پیچیده، و حسگرهای زیستی و شیمیایی داشته باشند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Design and Fabrication of a Bistable Microfluidic Paper-Based Transistor

نویسندگان English

Fatemeh Pourrezakhader 1
Roozbeh Abedini-Nassab 2
1 Tarbiat Modares University, Faculty of Mechanical Engineering
2 Tarbiat Modares University, Faculty of Mechanical Engineering
چکیده English

In recent years, paper-based microfluidic devices have attracted significant attention. However, the inability to precisely control multiple fluids simultaneously has remained a major challenge for paper-based microfluidic chips. Here, inspired by electrical circuits, a transistor component has been designed and fabricated for operation in paper-based microfluidic chips. This component, upon receiving an electrical command, regulates the flow of fluid within a paper-based microfluidic channel. The primary advantage of this transistor lies in its bi-stable operation (capability to open and close the channel) despite its simple structure. Its operation is based on the controlled movement of wax, driven by the heat generated from the electrical current applied to the transistor's gate, within the cross-section of the paper. To characterize this transistor, the parameters affecting its operation were analyzed. Experimental results indicated that in a channel with length of 25 mm, with widths of 2 mm and 3 mm, and hydrophobic section lengths of 2 mm and 3 mm, a fluid volume of 30 to 40 microliters could be controlled by applying a gate electrical current of about 1300 milliamperes for less than 35 seconds. Additionally, as a practical demonstration of this transistor's functionality, a sensor circuit was designed and fabricated to detect acidic and basic environments. The proposed transistor, by enhancing fluid controllability in microfluidic chips, plays a key role in advancing this technology. Paper-based microfluidic chips equipped with the transistor presented in this study hold promising potential for applications in medical diagnostics, performing complex multi-step tests, biosensors and chemical sensors

کلیدواژه‌ها English

Paper-Based Microfluidic Chip
Transistor
Fluid Flow Control
[1] J. Aleman, T. Kilic, L. S. Mille, S. R. Shin, and Y. S. Zhang, "Microfluidic integration of regeneratable electrochemical affinity-based biosensors for continual monitoring of organ-on-a-chip devices," (in eng), Nat Protoc, vol. 16, no. 5, pp. 2564-2593, May 2021, doi: 10.1038/s41596-021-00511-7.
[2] S. A. Muhsin et al., "A microfluidic biosensor for the diagnosis of chronic wasting disease," (in eng), Microsyst Nanoeng, vol. 9, p. 104, 2023, doi: 10.1038/s41378-023-00569-1.
[3] M. Zhang et al., "Highly parallel and efficient single cell mRNA sequencing with paired picoliter chambers," (in eng), Nat Commun, vol. 11, no. 1, p. 2118, 04 2020, doi: 10.1038/s41467-020-15765-0.
[4] M. I. Hajam and M. M. Khan, "Microfluidics: a concise review of the history, principles, design, applications, and future outlook," (in eng), Biomater Sci, vol. 12, no. 2, pp. 218-251, Jan 16 2024, doi: 10.1039/d3bm01463k.
[5] P. Mesquita, L. Gong, and Y. Lin, "Low-cost microfluidics: Towards affordable environmental monitoring and assessment," (in English), Frontiers in Lab on a Chip Technologies, Review vol. 1, 2022-December-01 2022, doi: 10.3389/frlct.2022.1074009.
[6] T. D. Do et al., "Fabrication of a Low-Cost Microfluidic Device for High-Throughput Drug Testing on Static and Dynamic Cancer Spheroid Culture Models," (in eng), Diagnostics (Basel), vol. 13, no. 8, Apr 11 2023, doi: 10.3390/diagnostics13081394.
[7] A. W. Martinez, S. T. Phillips, M. J. Butte, and G. M. Whitesides, "Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays," (in eng), Angew Chem Int Ed Engl, vol. 46, no. 8, pp. 1318-20, 2007, doi: 10.1002/anie.200603817.
[8] X. Li, J. Tian, T. Nguyen, and W. Shen, "Paper-Based Microfluidic Devices by Plasma Treatment," Analytical Chemistry, vol. 80, no. 23, pp. 9131-9134, 2008/12/01 2008, doi: 10.1021/ac801729t.
[9] T. Kong, S. Flanigan, M. Weinstein, U. Kalwa, C. Legner, and S. Pandey, "A fast, reconfigurable flow switch for paper microfluidics based on selective wetting of folded paper actuator strips," (in eng), Lab Chip, vol. 17, no. 21, pp. 3621-3633, Oct 25 2017, doi: 10.1039/c7lc00620a.
[10] Y. Zha and A. l. Zhang, "A paper-based microfluidic switch activated by surface acoustic waves," in 2011 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications (SPAWDA), 9-11 Dec. 2011 2011, pp. 142-145, doi: 10.1109/SPAWDA.2011.6167212.
[11] E. I. Newsham, E. A. Phillips, H. Ma, M. M. Chang, S. T. Wereley, and J. C. Linnes, "Characterization of wax valving and μPIV analysis of microscale flow in paper-fluidic devices for improved modeling and design," (in eng), Lab Chip, vol. 22, no. 14, pp. 2741-2752, Jul 12 2022, doi: 10.1039/d2lc00297c.