Electrokinetic Transport at Microscale: Particle Electromigration and Fluid Pumping in Lab-on-Chip Microsystems
Creators: name: Marthaler, Philipp G.
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Lab-on-Chip / Lab-on-a-Chip
Mikrofluidics
Electrokinetics
Electrohydrodynamics
Taylor-Melcher model
Digital microfluidics
Asymptotics
Spectral Fourier-Chebyshev simulation

description: Lab-on-Chip(LOC)-Systeme werden in vielen Bereichen, wie Chemie und Mikrobiologie, insbesondere Genomik, über Umweltmonitoring bis hin zur klinischen Diagnostik eingesetzt. Die Weiterentwicklung bestehender Systeme fokussiert sich auf Miniaturisierung, Multiplexing und der Optimierung von Schnittstellen. In dieser Arbeit wird ein LOC-Design vorgestellt, das verspricht, diesen Trends gerecht zu werden. Durch seine Programmierbarkeit und aktive Elektrodenoberfläche ohne Kanalstruktur ist es klassischen Systemen in der Anwendungsflexibilität und der Möglichkeit zur Miniaturisierung überlegen. Die vorliegende Studie untersucht die Machbarkeit des vorgestellten Systems in zwei seiner kritischsten Aspekte, die Kontrollierbarkeit chemischer Proben und Leistungsfähigkeit des Pumpmechanismus. Beide genannten Aspekte sind komplexe elektrokinetische Phänomene. Wandelektroden in der Oberfläche des Chips ermöglichen das kontrollierte Pumpen von Flüssigkeiten. Dabei sind die Elektrodenabstände von gleicher Größenordnung wie die entstehenden Ionenwolken, deren geometrische Größe durch die Debye-Länge charakterisiert ist. Die häufig verwendete vereinfachende Annahme einer dünnen Debye-Schicht gilt in diesem Zusammenhang nicht. Darüber hinaus liegen Proben und Reagenzien in flüssiger Form vor und sind von einer Trägerflüssigkeit umgeben. Diese Flüssigkeitstropfen sollen auf der Chipoberfläche kontrolliert bewegt werden. Entscheidend dafür ist ein grundlegendes Verständnis über das Verhalten der Tropfen unter dem Einfluss elektrischer Felder. Traditionelle Modelle, wie das Taylor-Melcher-Modell, scheitern hier, da sie Elektromigrationseffekte nicht erklären können, die in Experimenten beobachtet wurden. Die vorliegende Studie untersucht im ersten Teil Elektromigration nicht mischbarer tropfenförmiger Proben in starken elektrolytischen Lösungen mithilfe eines asymptotischen Ansatzes. Nichtlineare elektrokinetische Effekte in der Debye-Schicht werden betrachtet und quantitative Vorhersagen über Migrationsgeschwindigkeit und Deformation des Tropfens getroffen. Experimentell beobachtete Elektromigrationseffekte können so bestätigt werden. Überraschenderweise können auch bei elektrisch neutralen Tropfen Migrationseffekte auftreten. Der Einfluss der Stärke des Elektrolyts auf die genannten Ergebnisse ist vergleichsweise klein. Im Gegensatz dazu haben andere Annahmen, die beispielsweise die Modellierung der Tropfengeometrie betreffen, erheblichen Einfluss. Im zweiten Teil wird eine Machbarkeitsstudie des Pumpmechanismus mittels numerischer Simulation vorgestellt. Ein auf spektralen Methoden basierender Lösungsalgorithmus wurde speziell für diesen Zweck entwickelt. Ausreichend hohe Transportgeschwindigkeiten und das gewünschte homogene Strömungsfeld können damit bestätigt werden. Ebenfalls wird die Wärmeproduktion durch Ohm’sche Ströme in der Trägerflüssigkeit berechnet. Sie gilt als limitierender Faktor für die Miniaturisierung des Systems. Weitere Limitierungen sind durch Produktionskosten des Prototypen, Schaltfrequenz und kleinstmöglicher Elektrodenabstand gegeben. Ein Optimierungsalgorithmus für verschiedene Parameter wird im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Dieser bildet zusammen mit einer systematischen Beschreibung der Systemarchitektur die Grundlage für schrittweise Weiterentwicklungen und deren numerische Verifizierung.