Арт. BFS
Введение | Исследование закупорки в микрофлюидных массивах
Предыдущие исследования качественно указывали на то, что добавление пульсирующего потока в микрофлюидике и миллифлюидных системах, включая микрофлюидные массивы, может замедлить закупорку. Однако в недавнем исследовании Брайан Динкау и его коллеги описали соответствующие физические механизмы, играющие роль в динамике закупорки, и то, как установить пульсирующий контроль потока в микрофлюидическом массиве. По словам авторов, изучение динамики закупорки помогает понять, как осаждение частиц в микроканалах может способствовать полной или частичной закупорке отдельных каналов, что приводит к значительным последствиям для срока службы микрофлюидных массивов. Исследователи экспериментально изучили механизмы закупорки на уровне пор и системы, сочетая измерения скорости потока с прямой визуализацией. Их исследование выявило критические импульсные параметры для задержки закупорки пор или устранения существующих закупорок в массиве параллельных микроканалов.
Рис. 1: "После проведения эксперимента и добавления небольшого противодавления интересно посмотреть, где возникает поток и как смещается фильтровальная корка. Это изображение было получено во время этого процесса, а затем скорректировано по эстетическим соображениям" (любезно предоставлено Брайаном Динкау).
Постановка эксперимента | Установление контроля потока в микрофлюидном массиве
Для создания точного пульсирующего потока авторы объединили контроллер микрожидкостного потока Elveflow OB1 MK3+ с датчиком BFS Elveflow. Elveflow OB1 MK3+ обеспечивает практически любой профиль давления в системе. В данном случае он был использован для создания строго контролируемого синусоидального давления на входе в жидкостный контур, что привело к пульсирующей скорости потока в микрофлюидном чипе.
Рис. 2: Схема экспериментальной установки
В ходе экспериментов в обоих резервуарах на выходе и на входе создавалось давление (среднее давление на входе установлено на 150 мбар), чтобы ограничить образование пузырьков за счет улучшения растворимости газа, что повысило эффективность системы в целом. Это также позволило им изменить направление потока при исследовании влияния реверса потока. Они использовали серийный кориолисовый датчик расхода BFS для измерения скорости потока через устройства. Таким образом, исследователи косвенно контролировали закупорку, соотнося уменьшение скорости потока с конкретными событиями закупорки.
Микрофлюидный чип, использованный в экспериментах, содержал 40 микроканалов - каждый с 20 сужениями, где ширина канала уменьшается с 50 мкм до 10 мкм, - и глубиной канала от 13 до 15 мкм. Таким образом, каждый массив имел 800 потенциальных мест закупорки. Каналы соединяли два резервуара - входной и выходной - для потока суспензии (рис. 1 - схема постановки эксперимента).
Рис. 3: Изображение микрофлюидного чипа PDMS, использованного в исследовании (любезно предоставлено Брайаном Динкау).
Исследователи записывали скорость потока и видеоматериалы одновременно, начиная с введения суспензии частиц (описано в разделе "Материалы"), пока все 40 каналов не были забиты или не прошло 10 часов - в зависимости от того, что наступило раньше. Они использовали визуальные наблюдения с течением времени и записи скорости потока в постоянных и пульсирующих потоках, чтобы найти наилучшее сочетание амплитуды и частоты для задержки закупорки в этой конкретной системе.
Материалы
- Микрофлюидный чип из PDMS;
- Суспензия чистой воды Millipore Mili-Q, 100 мМ NaCl и 2 мкм латексных шариков при объемной доле Φ = 0,3%.
- Контроллер микрожидкостного потока Elveflow OB1 MK3+;
- Кориолисовый датчик потока BFS;
- Микроскоп Nikon eclipse
- USB-камера IDS imaging.
Результаты | Влияние амплитуды и частоты пульсаций
Амплитуда пульсаций определяла действующие механизмы закупорки и откупорки. Условия высокого сдвига могут разрушать частицы и агрегаты и перестраивать фильтровальную корку, предотвращая закупорку или раскупорку каналов. Однако выбор идеальных параметров пульсации имеет большое значение.
Когда пульсирующее давление выше среднего давления (в данной конкретной системе, когда амплитудное давление установлено на 125% от 150 мбар, среднего давления), поток суспензии изменяется на обратный, ресуспендируя частицы в фильтрующих конусах. После возобновления прямого потока некоторые из этих частиц проходят через соседние микроканалы и забивают их. Таким образом, по сравнению с другими настройками амплитуды, этот параметр ускоряет засорение в начале эксперимента. Частота пульсаций определяет вероятность закупорки и раскупорки. Авторы подчеркивают, что "очень важно, чтобы частота пульсаций сравнивалась со средней скоростью закупорки для данной системы", чтобы найти идеальную частоту для каждого массива.
Устранение засоров в микрофлюидном массиве с помощью пульсирующих потоков
Выводы | Пульсирующие потоки улучшают период полураспада фильтров
В целом, добавление слабых пульсаций в массивы микрофлюидики может значительно уменьшить закупорку. "Пульсация может обеспечить почти 100% улучшение периода полураспада фильтра по сравнению с постоянным потоком", - заключают исследователи. В их системе добавление амплитуды 50%, среднего давления (150 мбар) при частоте 0,1 Гц почти удвоило период полураспада фильтра.
В идеале авторы советуют избегать реверса потока для параллельных микроканалов, так как он не показал значительного улучшения периода полураспада фильтра по сравнению с постоянным потоком в их многоканальной системе. Однако они все же предупреждают, что для других микрофлюидных массивов это может быть иначе. Предотвращение закупорки по-прежнему является лучшей мерой для продления и улучшения срока службы микрофлюидных систем и снижения затрат на замену деталей. "Целью задержки закупорки было бы достижение большего объема процесса в течение срока службы устройства", - подчеркивают исследователи. Создание систем, которые точно контролируют давление и измеряют скорость потока, идеально подходит для поиска оптимальных параметров для уменьшения закупорки микрофлюидного массива.
