Подвесной полимерный микрофлюидный датчик для измерения расхода жидкости в микроканалах.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 2642 (2022) Цитировать эту статью

2776 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

В этом исследовании был разработан и изготовлен микрофлюидный кантилеверный датчик потока для контроля скорости потока жидкости в диапазоне 100–1000 мкл/мин. Также было выполнено системное моделирование для определения влиятельных оптимальных параметров и сравнения результатов с экспериментальными данными. Расходомер был выполнен в виде изогнутого кантилевера размерами 6,9×0,5×0,6 мм3 и микроканалом, вырезанным CO2-лазером внутри балки кантилевера. В качестве материала изготовления использовался полидиметилсилоксан. Различные скорости потока вводили с помощью шприцевого насоса для проверки работы расходомера. Вертикальное смещение кантилевера измеряли при каждом расходе с помощью цифрового микроскопа. По результатам натурная общая точность устройства составила до ±1,39%, а время отклика датчика составило 6,3 с. Чувствительность микрочипа составляла 0,126 мкм/(мкл/мин) в диапазоне измеряемых скоростей потока. Датчик также можно использовать несколько раз с приемлемым значением погрешности. Экспериментальные данные, полученные с помощью построенного микрочипа, имели линейный тренд (R2 = 0,995) и хорошо согласовывались с результатами моделирования. Кроме того, согласно данным эксперимента и моделирования, изначально изогнутая консольная конструкция имела более высокий уровень изгиба и чувствительности, чем идеально прямая консольная конструкция.

В последние десятилетия микрофлюидные технологии широко используются в различных приложениях. Благодаря возможности использования небольшого количества образца этот тип датчика вызвал интерес как полезное устройство для выполнения операций, включая разделение, реакции или обнаружение различных объектов, таких как материалы и частицы. Эта технология также использовалась в биомедицинских приложениях, например, для доставки лекарств, анализа ДНК/генов и диагностики заболеваний с помощью «лаборатории на чипе» (LOC) или «органа на чипе», микрореакторов и тотальных микроанализаторов. системы анализа (µTAS)1. Эта технология также применима к коммерческим продуктам, включая домашнее тестирование на беременность, быстрое тестирование на вирусы (например, ВИЧ; простой герпес; COVID-19; гепатит А, В и С) и определение уровня глюкозы в крови2,3.

Стабильный поток жидкости в микрофлюидной системе имеет решающее значение, поскольку изменения потока напрямую вызывают выход продукта из строя1,4,5, особенно в таких приложениях, как сортировка и разделение частиц, проточная цитометрия, проточное смешивание, химический синтез и полимеразная цепная реакция (ПЦР)6. . Для этой цели часто используются массовый расходомер Кориолиса и прецизионный шприцевой насос. Однако они ограничены большими размерами, высокой стоимостью и сложностью подключения к микрочипам7. Таким образом, микроэлектромеханические системы (МЭМС) были предложены исследователями в качестве средства миниатюризации датчиков потока. Благодаря низкому энергопотреблению, высокой точности, малому времени отклика, портативности и экономической эффективности датчики потока на основе МЭМС идеально подходят для использования в микрофлюидных системах1.

Датчики потока MEMS бывают тепловыми или нетепловыми. Датчики теплового потока являются наиболее коммерчески доступными устройствами для использования в микрофлюидных системах из-за их высокой чувствительности3. Ким и др.8 определили расход жидкости с помощью нагревательных и сенсорных электродов для измерения распределения тепла внутри микроканала. Чжао и др.7 разработали тепловой микрочип для измерения времени пролета, основанный на тепловых возбуждениях. Из-за высокой температуропроводности потери тепла через микроканалы могут быть опасными для определенных приложений, таких как живые клетки, что приводит к неправильной реакции датчика9. Также доступны нетепловые датчики потока, в том числе измерение расхода на основе изменений проводимости микроволнового резонатора4, электрохимический датчик, измеряющий изменения ионной проводимости9, измерение скорости изображения микропузырьков с использованием пузырьков газа в качестве индикатора10, оптофлюидный расходомер с использованием микро/нановолокон11, и цифровую систему объемного дозирования, работающую за счет электрического определения частоты образования капель12.