A primeira etapa do projeto foi realizar testes para usinagem controlada e otimizada de vidro ótico de borosilicato (BK7) por laser de femtossegundos. Parâmetros como energia, pulsos sobrepostos e a variação da posição focal foram investigados para controle da taxa de remoção do material e extensão da cratera ablacionada. Especial atenção foi dada à condição física e topográfica da superfície resultante da usinagem para torná-la menos rugosa e evitar a retenção de reagentes que possam contaminar e alterar as reações pretendidas. Microcanais, microválvulas, microbombas, misturadores, microrreatores, aquecedores e outros componentes foram desenvolvidos para compor sistemas microfluídicos. Os microcanais construídos sobre a superfície de vidro BK7 vedados por uma lâmina de polidimetilsiloxano (PDMS) são a base dos sistemas microfluídicos. O controle de fluxo de reagentes é feito por miniválvulas pneumáticas controladas por um microcontrolador Arduino através de uma plataforma Labview. Este trabalho mostra os componentes desenvolvidos e dois sistemas microfluídicos criados. O primeiro contém um circuito capaz de replicar ensaios imunoenzimáticos (ELISA) com um custo muito menor de insumos. O segundo é um sistema para a produção de nanocristais fluorescentes de NaYF4 especialmente utilizados como marcadores em imagens de sistemas biológicos. / The first stage of the project was to perform tests for controlled and optimized machining of borosilicate optical glass (BK7) by femtosecond laser. Parameters such as energy, number of overlapped pulses, and the focal position variation were investigated for a better extraction of material. Microchannels, microvalves, micropumps, mixers, reactors, heaters and other components were developed to compose applied microfluidic systems. Microchannels built on the surface of BK7 glass sealed by a polydimethylsiloxane (PDMS) sheet form the basis of the microfluidic circuits. The reagents flow control is done by pneumatic mini-valves controlled by an Arduino microcontroller through a Labview platform. This work shows the components developed and two microfluidic systems created. The first contains a microfluidic circuit capable of replicating enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) with a much lower cost of materials. The second has a microfluidic circuit for the production of NaYF4 fluorescent nanocrystals specially used as markers in images of biologic systems.

Este trabalho apresenta a síntese de nanopartículas (NPs) de NaYF4 dopadas com íons terras raras a partir de sistemas microfluídicos projetados e desenvolvidos em parceria entre o Laboratório de Crescimento de Cristais e a Central de Processamento de Materiais a Laser no Centro de Laser e Aplicações IPEN. O objetivo foi o estudo de diferentes circuitos microfluídicos usinados a laser para síntese de NPs de fluoretos em geral. Como material teste foi escolhido o NaYF4:Yb3+:Er3+, visando sua obtenção na fase hexagonal com dimensões definidas. Experiências de síntese deste material por co-precipitação, sem uso de surfactantes, foram realizadas para comparação com as sínteses obtidas via microfluídica. Por co-precipitação foram obtidas partículas esféricas, na fase cubica do NaYF4. Foram projetados e fabricados, via usinagem a laser de pulsos ultracurtos em substrato de vidro ótico BK7, três circuitos microfluídicos. Nas experiências de sínteses realizadas nestes chips foram obtidas NPs de NaYF4:Yb3+:Er3+ tanto na fase cubica quanto na fase hexagonal, em diferentes proporções, dependendo dos fluxos de injeção dos precursores no micro reator, da temperatura e da taxa de residência. As NPs obtidas neste trabalho foram caracterizadas através de DRX e analise pelo método de Rietveld, para a identificação das fases do material, MET para definição de forma e tamanho da nanopartículas e MEV para estudo dos microcanais dos chips usinados a lasers. Os melhores resultados foram observados em chips com microcanais da ordem de 400-600μm, pois minimizam o problema de obstrução. Contudo, o controle da temperatura precisa ser otimizado para evitar trincas nos microcircuitos. As NPs obtidas via microfluídica apresentaram distribuição de tamanho na faixa de 5 a 200nm e fases com estrutura hexagonal e cubica. Foi possível obter NPs de fase única cubica, mas o mesmo não ocorreu para fase hexagonal do NaYF4. O presente estudo permitiu definir vários fatores para a obtenção das NPs de NaYF4 via microfluídica e também referente a fabricação, montagem e uso dos chips, porém para obter NPs desse material com controle da dimensão e fases serão necessários estudos complementares. / This work presents the synthesis of NaYF4 nanoparticles (NPs), doped with rare earth ions, using microfluidic systems designed and fabricated at IPEN through Crystal Growth Lab and Materials Laser Processing Lab partnership. The aim of this work was the study of different microfluidic chips laser machined for use in fluoride NPs synthesis. The compound NaYF4:Yb3+:Er3+ (Yb 10 mole%; Er 0.5 mole %) was chosen to test the fabricated microfluidic chips aiming the production of NPs with hexagonal structure with defined dimensions. Synthesis experiments by co-precipitation method of this material without any surfactant were performed to compare with microfluidics synthesis. By this method spherical particles, were obtained with the cubic NaYF4 crystalline structure. Three different chips were designed and fabricated, using a femtosecond laser to machine BK7 optical glass substrate. The synthesis experiments with these chips resulted in NaYF4:Yb3+:Er3+ NPs with both cubic and hexagonal crystalline structure, in different proportions, depending of precursors flux rates, temperature and resident time. The obtained materials of all experiments were characterized by X-ray diffraction and Rietveld analysis, to define crystalline structures parameters; transmission microscopy to define shape and size of NPs and scanning electron microscopy to characterize the chips micro channels machined by laser. The best results were observed for chips with channels of 400-600μm, in view of the obstruction decrease in the chips. The NPs obtained with microfluidics presented sizes from 5nm up to 200nm and hexagonal and cubic crystallographic structures. Cubic single phase NPs were obtained, but the same did not happened with the NaYF4 hexagonal phase. The present study allowed establishing many different parameters for NaYF4 NPs synthesis through microfluidics and concerning fabrication, assembly and experimental use of microfluidic chips, however, additional experiments will be necessary to obtain the fluoride NPs with controlled size and shape.

Este trabalho apresenta a síntese de nanopartículas (NPs) de NaYF4 dopadas com íons terras raras a partir de sistemas microfluídicos projetados e desenvolvidos em parceria entre o Laboratório de Crescimento de Cristais e a Central de Processamento de Materiais a Laser no Centro de Laser e Aplicações IPEN. O objetivo foi o estudo de diferentes circuitos microfluídicos usinados a laser para síntese de NPs de fluoretos em geral. Como material teste foi escolhido o NaYF4:Yb3+:Er3+, visando sua obtenção na fase hexagonal com dimensões definidas. Experiências de síntese deste material por co-precipitação, sem uso de surfactantes, foram realizadas para comparação com as sínteses obtidas via microfluídica. Por co-precipitação foram obtidas partículas esféricas, na fase cubica do NaYF4. Foram projetados e fabricados, via usinagem a laser de pulsos ultracurtos em substrato de vidro ótico BK7, três circuitos microfluídicos. Nas experiências de sínteses realizadas nestes chips foram obtidas NPs de NaYF4:Yb3+:Er3+ tanto na fase cubica quanto na fase hexagonal, em diferentes proporções, dependendo dos fluxos de injeção dos precursores no micro reator, da temperatura e da taxa de residência. As NPs obtidas neste trabalho foram caracterizadas através de DRX e analise pelo método de Rietveld, para a identificação das fases do material, MET para definição de forma e tamanho da nanopartículas e MEV para estudo dos microcanais dos chips usinados a lasers. Os melhores resultados foram observados em chips com microcanais da ordem de 400-600μm, pois minimizam o problema de obstrução. Contudo, o controle da temperatura precisa ser otimizado para evitar trincas nos microcircuitos. As NPs obtidas via microfluídica apresentaram distribuição de tamanho na faixa de 5 a 200nm e fases com estrutura hexagonal e cubica. Foi possível obter NPs de fase única cubica, mas o mesmo não ocorreu para fase hexagonal do NaYF4. O presente estudo permitiu definir vários fatores para a obtenção das NPs de NaYF4 via microfluídica e também referente a fabricação, montagem e uso dos chips, porém para obter NPs desse material com controle da dimensão e fases serão necessários estudos complementares. / This work presents the synthesis of NaYF4 nanoparticles (NPs), doped with rare earth ions, using microfluidic systems designed and fabricated at IPEN through Crystal Growth Lab and Materials Laser Processing Lab partnership. The aim of this work was the study of different microfluidic chips laser machined for use in fluoride NPs synthesis. The compound NaYF4:Yb3+:Er3+ (Yb 10 mole%; Er 0.5 mole %) was chosen to test the fabricated microfluidic chips aiming the production of NPs with hexagonal structure with defined dimensions. Synthesis experiments by co-precipitation method of this material without any surfactant were performed to compare with microfluidics synthesis. By this method spherical particles, were obtained with the cubic NaYF4 crystalline structure. Three different chips were designed and fabricated, using a femtosecond laser to machine BK7 optical glass substrate. The synthesis experiments with these chips resulted in NaYF4:Yb3+:Er3+ NPs with both cubic and hexagonal crystalline structure, in different proportions, depending of precursors flux rates, temperature and resident time. The obtained materials of all experiments were characterized by X-ray diffraction and Rietveld analysis, to define crystalline structures parameters; transmission microscopy to define shape and size of NPs and scanning electron microscopy to characterize the chips micro channels machined by laser. The best results were observed for chips with channels of 400-600μm, in view of the obstruction decrease in the chips. The NPs obtained with microfluidics presented sizes from 5nm up to 200nm and hexagonal and cubic crystallographic structures. Cubic single phase NPs were obtained, but the same did not happened with the NaYF4 hexagonal phase. The present study allowed establishing many different parameters for NaYF4 NPs synthesis through microfluidics and concerning fabrication, assembly and experimental use of microfluidic chips, however, additional experiments will be necessary to obtain the fluoride NPs with controlled size and shape.

A primeira etapa do projeto foi realizar testes para usinagem controlada e otimizada de vidro ótico de borosilicato (BK7) por laser de femtossegundos. Parâmetros como energia, pulsos sobrepostos e a variação da posição focal foram investigados para controle da taxa de remoção do material e extensão da cratera ablacionada. Especial atenção foi dada à condição física e topográfica da superfície resultante da usinagem para torná-la menos rugosa e evitar a retenção de reagentes que possam contaminar e alterar as reações pretendidas. Microcanais, microválvulas, microbombas, misturadores, microrreatores, aquecedores e outros componentes foram desenvolvidos para compor sistemas microfluídicos. Os microcanais construídos sobre a superfície de vidro BK7 vedados por uma lâmina de polidimetilsiloxano (PDMS) são a base dos sistemas microfluídicos. O controle de fluxo de reagentes é feito por miniválvulas pneumáticas controladas por um microcontrolador Arduino através de uma plataforma Labview. Este trabalho mostra os componentes desenvolvidos e dois sistemas microfluídicos criados. O primeiro contém um circuito capaz de replicar ensaios imunoenzimáticos (ELISA) com um custo muito menor de insumos. O segundo é um sistema para a produção de nanocristais fluorescentes de NaYF4 especialmente utilizados como marcadores em imagens de sistemas biológicos. / The first stage of the project was to perform tests for controlled and optimized machining of borosilicate optical glass (BK7) by femtosecond laser. Parameters such as energy, number of overlapped pulses, and the focal position variation were investigated for a better extraction of material. Microchannels, microvalves, micropumps, mixers, reactors, heaters and other components were developed to compose applied microfluidic systems. Microchannels built on the surface of BK7 glass sealed by a polydimethylsiloxane (PDMS) sheet form the basis of the microfluidic circuits. The reagents flow control is done by pneumatic mini-valves controlled by an Arduino microcontroller through a Labview platform. This work shows the components developed and two microfluidic systems created. The first contains a microfluidic circuit capable of replicating enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) with a much lower cost of materials. The second has a microfluidic circuit for the production of NaYF4 fluorescent nanocrystals specially used as markers in images of biologic systems.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema microfluídico, contendo, como componente principal, um reator enzimático constituído de um microcanal fabricado em substrato de poli(metacrilato de metila) e um sistema amperométrico como detector. Para a construção de microcanais foi utilizando equipamento de usinagem a laser de CO2 para escavar os microcanais, que a seguir foram selados termicamente. A superfície interna desse microcanal foi submetida à modificação química com poli(etilenoimina), que se mostrou eficiente para posterior imobilização da enzima glicose oxidase, utilizando glutaraldeído como agente de ligação covalente cruzada, gerando assim um microrreator para determinação amperométrica de glicose. O peróxido de hidrogênio gerado na reação enzimática foi detectado em uma célula eletroquímica em fluxo, localizada externamente ao reator, com eletrodo de platina como eletrodo de trabalho. Uma bomba peristáltica programável foi empregada para promover a injeção de amostra, utilizando tubulação de pequeno diâmetro (0,3 mm), permitindo alcançar reprodutibilidade para a injeção de pequenos volumes, tipicamente da ordem de 5 microlitros de solução. O sistema proposto foi utilizado para a determinação amperométrica diferencial de glicose presente em amostras de refrigerantes, apresentando boa repetibilidade (DPR = 1,72%, n = 50), limite de detecção apreciável (1,40 x10-6 mol L-1), elevada frequência de amostragem (345 amostras h-1) e relativa estabilidade a longo prazo (420 determinações em mais de 20 dias com perda de atividade menor que 50%). As análises realizadas com o sistema proposto neste estudo levaram a resultados concordantes com os obtidos pelo método espectrofotométrico clássico, utilizado para análise de glicose em fluídos biológicos. / This work describes the development of a microfluidic system having as a main component an enzymatic reactor constituted by a microchannel assembled in poly(methyl methacrylate) substrate, connected to an amperometric detector. To manufacture the microchannels, a CO2 laser ablation machine was utilized to engrave the channels, which in sequence were thermally sealed. The internal surfaces of the microchannels were chemically modified with poly(ethyleneimine) which showed good effectiveness for the immobilization of glucose oxidase enzymes using glutaraldehyde as crosslinking agent, producing in this way a microreactor effective for the amperometric detection of glucose. The hydrogen peroxide generated in the enzymatic reaction was detected in the electrochemical flow cell, localized outside of the reactor, using platinum as the working electrode. A programmable peristaltic pump was utilized to inject the samples, utilizing tubes with small diameter (0.3 mm), allowing attain reproducibility even for injections of small volumes, in the order of 5 microliters of solution. The proposed system was applied for differential amperometric determination of glucose content in soft drinks, showing good repeatability (DPR = 1.72%, n = 50) low detection limit (1,40 x10-6 mol L-1), high sample frequency (345 samples h-1) and relatively good stability for long term (420 determinations along more than 20 days, with a decrease of activity lower than 50%). The analysis performed with the system proposed in this study lead to results which agree with those obtained by the classical spectrophotometric method, utilized to analyze glucose in biological fluids.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema microfluídico, contendo, como componente principal, um reator enzimático constituído de um microcanal fabricado em substrato de poli(metacrilato de metila) e um sistema amperométrico como detector. Para a construção de microcanais foi utilizando equipamento de usinagem a laser de CO2 para escavar os microcanais, que a seguir foram selados termicamente. A superfície interna desse microcanal foi submetida à modificação química com poli(etilenoimina), que se mostrou eficiente para posterior imobilização da enzima glicose oxidase, utilizando glutaraldeído como agente de ligação covalente cruzada, gerando assim um microrreator para determinação amperométrica de glicose. O peróxido de hidrogênio gerado na reação enzimática foi detectado em uma célula eletroquímica em fluxo, localizada externamente ao reator, com eletrodo de platina como eletrodo de trabalho. Uma bomba peristáltica programável foi empregada para promover a injeção de amostra, utilizando tubulação de pequeno diâmetro (0,3 mm), permitindo alcançar reprodutibilidade para a injeção de pequenos volumes, tipicamente da ordem de 5 microlitros de solução. O sistema proposto foi utilizado para a determinação amperométrica diferencial de glicose presente em amostras de refrigerantes, apresentando boa repetibilidade (DPR = 1,72%, n = 50), limite de detecção apreciável (1,40 x10-6 mol L-1), elevada frequência de amostragem (345 amostras h-1) e relativa estabilidade a longo prazo (420 determinações em mais de 20 dias com perda de atividade menor que 50%). As análises realizadas com o sistema proposto neste estudo levaram a resultados concordantes com os obtidos pelo método espectrofotométrico clássico, utilizado para análise de glicose em fluídos biológicos. / This work describes the development of a microfluidic system having as a main component an enzymatic reactor constituted by a microchannel assembled in poly(methyl methacrylate) substrate, connected to an amperometric detector. To manufacture the microchannels, a CO2 laser ablation machine was utilized to engrave the channels, which in sequence were thermally sealed. The internal surfaces of the microchannels were chemically modified with poly(ethyleneimine) which showed good effectiveness for the immobilization of glucose oxidase enzymes using glutaraldehyde as crosslinking agent, producing in this way a microreactor effective for the amperometric detection of glucose. The hydrogen peroxide generated in the enzymatic reaction was detected in the electrochemical flow cell, localized outside of the reactor, using platinum as the working electrode. A programmable peristaltic pump was utilized to inject the samples, utilizing tubes with small diameter (0.3 mm), allowing attain reproducibility even for injections of small volumes, in the order of 5 microliters of solution. The proposed system was applied for differential amperometric determination of glucose content in soft drinks, showing good repeatability (DPR = 1.72%, n = 50) low detection limit (1,40 x10-6 mol L-1), high sample frequency (345 samples h-1) and relatively good stability for long term (420 determinations along more than 20 days, with a decrease of activity lower than 50%). The analysis performed with the system proposed in this study lead to results which agree with those obtained by the classical spectrophotometric method, utilized to analyze glucose in biological fluids.