Ανάπτυξη συστήματος μικρορευστονικής (microfluidics) με ηλεκτροχημική ανίχνευση

Abstract

This thesis, entitled “Development of a microfluidics system with electrochemical detec-tion”, studied the design and development of a sensitive potentiostat by using a new inte¬grated circuit for the measurement of very small currents (1 pA – 1 nA) based on their integration through combination of a follower amplifier and an analog integrator. The high sensitivity of the circuit is utilized in microfluidic systems, where de facto the measured faradaic amperometric detection currents are infinitesimal. In conjunction a high voltage power supply was also developed and built for the basic instrumentation in microfluidic voltammetric experiments. Often times, designing a new circuit was accompanied with changes and improvements in specifications making the thesis a "live" evolving path to specific knowledge of several instrumentation issues.A control software was developed along with the appropriate instrumentation and it be-came possible to interface the system with a laptop computer (via USB). Moreover, a full exam¬ination and evaluation (noise, linearity) of these circuits became possible both in simulations’ level through artificial sources of very small currents and by the application of simple standard voltammetric experiments.The source code of the microcontroller control circuit (language C) and of the entire sys¬tem’s control code (language Delphi) exceeds in length a total size of sixty-seven thou¬sand lines.Some improvements arising in practice are also presented, the whole detection sys¬tem is used in a typical application of separation in a microfluidic device and this thesis was published in a scientific journal (Rev. Sci. Instrum. 87, 034101 (2016), http://dx.doi.org/10.1063/1.4942915).

Σε αυτήv τη διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη συστήματος μικρορευστονικής (microfluidics) με ηλεκτροχημική ανίχνευση» μελετάται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός ευαίσθητου ποτενσιοστάτη με την αξιοποίηση ενός νέου ολοκληρωμένου κυκλώματος μέτρησης ασθενέστατων ρευμάτων (1 pA – 1 nA), που βασίζεται στην ολοκλήρωσή τους μέσω μικτής διάταξης ακολουθητή ρεύματος – αναλογικού ολοκληρωτή. Η μεγάλη ευαισθησία του κυκλώματος, αξιοποιείται σε μικρορευστονικά συστήματα, όπου εκ των πραγμάτων τα μετρούμενα φαρανταϊκά ρεύματα αμπερομετρικής ανίχνευσης είναι απειροελάχιστα. Συνδυαστικά αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε μια γεννήτρια υψηλής τάσης για τη βασική οργανολογία βολταμμετρικών πειραμάτων σε μικρορευστονικές διατάξεις. Συχνά, η εξεύρεση νέων κυκλωμάτων συνοδευόταν με αλλαγές και βελτιώσεις των προδιαγραφών καθιστώντας έτσι τη διατριβή μια «ζωντανή» εξελισσόμενη πορεία προς την ειδική γνώση οργανολογικών θεμάτων. Συνάμα αναπτύχθηκε ένα λογισμικό ελέγχου και σε συνδυασμό με την κατάλληλη οργανολογία έγινε εφικτή η διασύνδεσή του συστήματος με φορητό υπολογιστή (διασύνδεση τύπου USB). Επιπλέον, έχει γίνει πλήρης εξέταση και αξιολόγηση (επίπεδα θορύβου, γραμμικότητα) των κυκλωμάτων αυτών τόσο σε επίπεδο προσομοιώσεων μέσω τεχνητών πηγών ασθενέστατων ρευμάτων αλλά και με την εφαρμογή απλών τυπικών πειραμάτων βολταμμετρίας. Ο πηγαίος κώδικας ελέγχου του μικροελεγκτή του κυκλώματος (γλώσσα C) και του κώδικα ελέγχου της όλης διάταξης (γλώσσα Delphi) ξεπερνά συνολικά σε μέγεθος τις εξηνταεφτά χιλιάδες γραμμές.Παρουσιάζονται επίσης μερικές βελτιώσεις που προέκυψαν στην πράξη, γίνεται εφαρμογή του συστήματος ανίχνευσης σε ένα τυπικό παράδειγμα διαχωρισμού σε μικρορευστονική διάταξη και η διατριβή δημοσιεύθηκε σε επιστημονικό περιοδικό (Rev. Sci. Instrum. 87, 034101 (2016), http://dx.doi.org/10.1063/1.4942915).