Development of a microfluidic device for gaseous formaldehyde sensing = Développement d'un dispositif microfluidique pour la détection de formaldéhyde à l'état gazeux
Creators: name: Măriuța, Daniel
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: optofluidics
indoor air pollution
volatile organic compounds (VOCs)
Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)
SU-8 3050 waveguide
3
5-Diacetyl-1
4-dihydrolutidin (DDL)

description: Formaldehyd (HCHO) ist eine chemische Verbindung, die bei der Herstellung einer großen Zahl von Haushaltsprodukten verwendet wird.Charakteristisch ist seine hohe Flüchtigkeit aufgrund einer niedrigen Siedetemperatur (\(T = - 19\ ℃\)). Daher ist HCOH fast überall als Luftschadstoff in Innenräumen vorhanden. Die Miniaturisierung analytischer Systeme zu Handheld-Gerät hat das Potenzial, nicht nur effizientere, sondern auch empfindlichere Instrumente für die Echtzeitüberwachung dieses gefährlichen Luftschadstoffs zu ermöglichen. Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Entwicklung eines Mikrofluidik-Geräts für die Erfassung von HCHO basierend auf der Hantzsch-Reaktion.Hierbei wurde der Schwerpunkt auf die Komponente für Fluoreszenzdetektion gelegt. Es wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die es erlaubt, den Stand der Technik auf dem Gebiet der Miniaturisierung des Fluoreszenzsensors zusammenzufassen. Auf Grund dieser Studie wurde ein modulares Fluoreszenzdetektionskonzept vorgeschlagen, das um einen CMOS-Bildsensor (CIS) herum entwickelt wurde. Zwei dreischichtige Fluidikzellenkonfigurationen (Konfiguration 1: Quarz - SU-8 3050 - Quarz und Konfiguration 2: Silizium - SU-8 3050 - Quarz) wurden in Betracht gezogen und parallel unter den gleichen experimentellen Bedingungen getestet. Die Verfahren der Mikrofabrikation der fluidischen Zellen wurden detailliert beschrieben, einschließlich des Integrationsprozesses der Standardkomponenten und der experimentellen Verfahren. Der CIS-basierte Fluoreszenzdetektor bewies seine Leistungsfähigkeit, eine anfängliche HCHO-Konzentration von 10 µg/L vollständig in 3,5-Diacetyl-1,4-dihydrolutidin (DDL- derivatisiert) sowohl für die Quarz- als auch für die Silizium-Fluidikzellen zu detektieren. Beide Systemewiesenein Abfragevolumen von 3,5 µL auf. Ein offensichtlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wurde für die Silizium-Fluidzelle (\(\text{SNR}_{\text{silicon}} = 6.1\)) im Vergleich zur Quarz-Fluidzelle (\(\text{SNR}_{\text{quartz}} = 4.9\)) beobachtet. Die Verstärkung der Signalintensität in der Silizium-Fluidzelle ist wahrscheinlich auf den Silizium-Absorptionskoeffizienten bei der Anregungswellenlänge zurückzuführen,\(a\left( \lambda_{\text{abs}} = 420\ nm \right) = 5 \bullet 10^{4}\text{cm}^{- 1}\). Dieser Koeffizient ist ungefähr fünfmal höher als der Absorptionskoeffizient bei der Fluoreszenzemissionswellenlänge \(a\left(\lambda_{\text{em}} = 515\ nm \right) = 9.25 \bullet 10^{3}\text{cm}^{- 1}\). HCHO wird aufgrund seiner relativ hohen Konstanten für das Henry-Gesetz sehr schnell in ein flüssiges Reagenz aufgenommen. Somit hängt die Auswahl des molekularen Einfangverfahrens (Schwallströmung, Ringströmung oder membranbasierte Strömungswechselwirkung) von derLeistungsfähigkeit des Fluoreszenzdetektors ab. Ein vorläufiges Konzept, das auf der Verwendung einer Gas-Flüssigkeitsmembran-basierten Wechselwirkung zum ständigen Abfangen des gasförmigen HCHO basiert, wurde eingeführt. Hierzu wurden kompatible Materialien und Herstellungsmethoden identifiziert. Darüber hinaus wurden CFD-Simulationen durchgeführt, um die Mikrokanallänge unter verschiedenen hydrodynamischen Bedingungen abzuschätzen, die für eine vollständige HCHO-Derivatisierung erforderlich sind. Eine Verbesserung und Vereinfachung auf der Grundlage von sehrnempfindlichen Fluoreszenzdetektoren mit niedrigen Detektionsgrenzen könnte zukünftig basierend z. B. auf Schwallströmung oder Ringströmung möglich sein.