Le microvalvole sono componenti base dei sistemi microfluidici poiché permettono il trasposto, lo scambio ed il controllo di fluidi. Tali dispositivi possono essere sia collegati su una piattaforma con canali microfluidici sia integrati in più complessi sistemi microfluidici. Le micro valvole possono essere impiegate per applicazioni di tipo fluids dispensing, high-speed gas chromatography e drugs delivery, dove sono richiesti piccoli volumi di fluidi e alto controllo. Puntiamo alle aziende del settore biomedicale per applicazioni di tipo point-of-care e lab-on-a-chip. Il dispositivo è una micro valvola a membrana ad attuazione pneumatica con il corpo in silicio e la membrana in polimero biocompatibile, sviluppato e realizzato in collaborazione con il CNR - IMM di Bologna.
(a) Immagine SEM sella sezione del dispositivo (b) schema dispositivo
La microvalvola a membrana attuata pneumaticamente ha un corpo in silicio e membrana in polimero biocompatibile (SU-8), è normalmente aperta ed è progettata sia per liquidi sia per gas. L’intero dispositivo, senza le connessioni esterne, è altamente miniaturizzato. Con i liquidi le portate vanno da alcune centinaia di nl/s fino a alcuni µl/s, a seconda della sezione dei canali e della pressione di utilizzo. Il dispositivo mostra una perfetta chiusura con una pressione differenziale minore di 1bar (fino a qualche centinaio di mbar) con una pressione del liquido fino a 3bar. Con gas il dispositivo può essere impiegato in applicazioni di tipo gas cromatografiche ad alta velocità (HSGC) dove il volume della valvola deve essere il minore possibile per ridurre il tempo di risposta del GC. I dispositivi mostrano una tenuta buona, richiedono bassa sovrapressione per chiudere e resistono a cicli di fatica senza importante degradazione delle loro proprietà meccaniche.
Il volume ridotto rende il dispositivo altamente integrabile in sistemi microfluidici. Queste valvole, affidabili e a tenuta, possono essere utilizzate in svariati ambienti, in un ampio intervallo di temperature e sono chimicamente inerti. Inoltre hanno il vantaggio, rispetto alle valvole a membrana tradizionali, di poter essere integrate su circuiti microfluidici usando la tecnologia MEMS standard su wafer.
Il dispositivo può essere impiegato in applicazioni di tipo gas cromatografiche ad alta velocità. Nell’utilizzo per il controllo di liquidi puntiamo alle aziende del settore biomedicale per applicazioni di tipo point of care e lab-on-chip. Grazie alla resistenza chimica delle membrane, queste valvole possono essere impiegate anche nel settore aerospaziale per il micro controllo di propellente nei micro satelliti.
Chip con tre valvole
Iniettore miniaturizzato per Sistemi Gas Cromatografici ad alta velocità (HSGC)
La microvalvola pneumatica a 2-vie normalmente aperta a membrana polimerica è stata utilizzata per la realizzazione di sistemi di iniezione per dispositivi gas-cromatografici (GC) di tipo “FAST-GC”. Il chip di dimensione di 12x12 mm2 è stato realizzato in due versioni: la prima è costituita da 5 microvalvole ed integra un volume di sample-loop di alcuni microlitri. La seconda versione è costituita da 3 microvalvole e utilizzando due chip permette l’iniezione di un loop esterno. In entrambi i casi, le microvalvole sono pilotate esternamente per via pneumatica da elettrovalvole commerciali pilotate da un’opportuna scheda di controllo. Questi iniettori sono stati utilizzati da CNR–IMM Bologna nell’ambito del Progetto Europeo FP7-SEC-DIRAC (grant agreement 242309) per la pre-concentrazione e separazione FAST-GC di precursori di droghe e sostanze dopanti in applicazioni di security (controllo di container in dogana). Il sistema ha dimostrato un ottimo comportamento in un ampio range di temperatura (testata fino a 130 °C) dimostrando inoltre di possedere un’inerzia chimica, proprietà necessaria per applicazioni in sistemi chimici analitici. Proprietà importanti del sistema sono inoltre la riproducibilità, linearità e velocità del tempo di iniezione oltre a garantire ridotti volumi morti.
Consorzio CREO, L’Aquila Fraunhofer IPM, Freiburg, Germany EADS Innovation Works, München, Germany Azienda del settore analisi chimiche ambientali
Le microvalvole pneumatiche a 2-vie sono caratterizzate da volumi morti estremamente ridotti Grazie alle dimensioni ridotte trovano utilizzo principalmente in sistemi gas-cromatografici miniaturizzati e quindi portatili (idonei per utilizzo in campo), in applicazioni emergenti quali safety&security, monitoraggio industriale, health (inclusa breath-analysis) e sicurezza alimentare.
Modulo per la pre-concentrazione di vapori e la separazione gas-cromatografica “FAST”.