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Strömungsphänomene der tropfenbasierten Mikrofluidik

Malsch, Daniell - Technische Universität Ilmenau (2014)


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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