Strömungsphänomene der tropfenbasierten Mikrofluidik

Malsch, Daniell

The utilization of liquid/liquid two-phase flows in highly integrated Lab-on-a-chip systems opens up fascinating perspectives for the implementation of high-throughput applications with respect to sensitivity, performance, and cost savings. Droplet-based assays, where each sample droplet is created, processed, analyzed, and sorted individually, place high demands on the underlying microfluidic platform. The transport characteristics of droplet flows are subject to complex physical influences that have to be considered during the design of individual operation units right on to the complete microfluidic channel network. For this purpose, a comprehensive understanding of the flow phenomena occurring in droplet-based microfluidics is required, which is still incomplete especially for isotropically etched micro channels. The goal of this work is to lay the theoretical and metrological foundation that allows the prediction of the transport characteristics. The basis is provided by an extensive literature review that interdisciplinarily classifies the fluid dynamical aspects and identifies relevant parameters. Methods for micro flow diagnostics are adapted to the particular requirements of droplet flows and the metrological prerequisites for their implementation are developed. That way, by utilizing different complementing measurement methods, a consistent multidimensional dataset is created that is conforming with the theoretical predictions. Novel findings concerning the droplet internal flow field are substantiated by CFD simulations. In conclusion, an analytical transport model for two phase flows in isotropically etched micro channels was developed that can be applied successfully to all measurements. The developed methods and conclusions obtained from the results can be transferred to similar problems.

Die Nutzung von Flüssig-Flüssig-Zweiphasenströmungen für die Realisierung tropfenbasierter hochintegrierter Lab-on-a-Chip-Systeme eröffnet faszinierende Perspektiven für die Implementierung von Hochdurchsatzanwendungen bezüglich Sensitivität, Durchsatz und Kostenersparnis. Tropfenbasierte Assays, bei denen jeder Probentropfen individuell erzeugt, prozessiert, analysiert und sortiert wird, stellen hohe Anforderungen an die zugrundeliegende mikrofluidische Plattform. So unterliegt das Transportverhalten von Tropfenströmungen komplexen physikalischen Einflüssen, welche beim Design einzelner Funktionsstrukturen bis hin zum gesamten mikrofluidischen Kanalnetzwerk berücksichtigt werden müssen. Dazu ist ein umfassendes Verständnis der in der tropfenbasierten Mikrofluidik auftretenden Strömungsphänomene erforderlich, welches insbesondere für isotrop geätzte Vollkanäle bisher nur lückenhaft existiert. Ziel dieser Arbeit ist es, die theoretischen und messtechnischen Grundlagen zu legen, welche die Vorhersage des Transportverhaltens ermöglichen. Als Basis dient zunächst ein ausführliches Literaturstudium, welches fachgebietsübergreifend eine Einordnung der einzelnen fluiddynamischen Aspekte vornimmt und die relevanten Einflussfaktoren identifiziert. Verfahren der Mikroströmungsdiagnostik werden an die besonderen Aspekte der Tropfenströmung angepasst und die messtechnischen Voraussetzungen für deren Anwendung geschaffen. Auf diese Weise entsteht durch die Nutzung verschiedener sich komplementierender Messverfahren eine in sich schlüssige multidimensionale Datenbasis, die sich mit den theoretischen Vorhersagen deckt. Neuartige Aussagen über das tropfeninterne Strömungsfeld werden zudem durch CFD-Simulationen untermauert. Vor diesem Hintergrund gelingt abschließend die Erstellung eines analytischen Transportmodells für Zweiphasenströmungen in isotrop geätzten Mikrokanälen, das sich auf alle Messergebnisse erfolgreich anwenden lässt. Die entwickelten Verfahren und die Folgerungen aus den Ergebnissen lassen sich ohne Weiteres auf ähnliche Problemstellungen übertragen.

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Malsch, Daniell: Strömungsphänomene der tropfenbasierten Mikrofluidik. 2014.

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