Novel Techniques for Flow and Particle Control in Microfluidic Systems

Resumen

En los últimos años, los dispositivos lab-on-a-chip están atrayendo mucho interés. Estos aparatos de tamaño reducido, con un área en torno a un centímetro cuadrado, son capaces de albergar en la misma oblea una o varias de las funcionalidades típicas de los laboratorios convencionales. Sus principales cualidades son el bajo coste y el reducido tamaño. De esta manera, pueden constituir una alternativa para un primer diagnóstico rápido. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes. Entre ellos, queda por resolver el control del flujo de fluidos y el confinamiento de partículas en el interior de los microcanales. Así, en esta Tesis Doctoral, se presentan dos técnicas novedosas para solventar estos dos problemas mencionados. Por un lado, el efecto electrotermoplasmónico (ETP) y, por otro, la trampa de Paul. El primero se fundamenta en el uso de nanopartículas plasmónicas como fuentes de calor puntuales que, junto con la aplicación de un campo eléctrico alterno, conducen a la generación de flujos convectivos. Mientras que, la trampa de Paul, permite el atrapamiento de partículas cargadas a través de un campo eléctrico alterno. Para evaluar la efectividad del control de flujo, se llevó a cabo una serie de experimentos. Se lograron velocidades de hasta 100 micrómetros por segundo y se descubrió que la velocidad máxima crece cuadráticamente con respecto a la concentración de nanopartículas de oro. Con la intención de comparar los resultados experimentales con la teoría, se efectuaron simulaciones de flujo de fluidos con la plataforma de elementos finitos COMSOL Multiphysics. Asimismo, con el objetivo de averiguar el motivo de dicha influencia de segundo orden, se llevaron a cabo simulaciones electromagnéticas para analizar la dispersión y agregación de las nanopartículas de oro. Con respecto al control de grupos de partículas, se diseñó y construyó un modelo de trampa de Paul capaz de trabajar en un medio polar. Además, el modelo diseñado puede ser combinado con pinzas ópticas. Este diseño permite varias aplicaciones que se pueden clasificar entre trampa de Paul y trampa híbrida. En el segundo caso, se introduce en la plataforma un láser altamente focalizado que mejorará la capacidad de atrapamiento original de la trampa de Paul. Entre las primeras se encuentra la posibilidad de filtrar partículas dependiendo de su relación carga-masa y la capacidad de modular el campo eléctrico, lo que permite aumentar la concentración de partículas en una determinada región. Esto último puede ser útil para detectar con mayor facilidad o capturar microplásticos presentes en un fluido. Por último, se enuncian las que combinan la trampa de Paul y la pinza óptica. El uso del láser, a muy baja potencia, permite mejorar el atrapamiento de la trampa de Paul, pudiendo así confinar partículas que no podrían ser atrapadas únicamente con la pinza óptica. Además, la introducción del láser admite la capacidad de seleccionar partículas ya atrapadas con la trampa de Paul. Al igual que en el caso anterior, se presentan simulaciones. Sin embargo, en este caso, tan solo destinadas a estimar los valores del potencial del campo eléctrico en el seno de la trampa. En definitiva, en esta Tesis Doctoral se han expuesto dos propuestas innovadoras que pueden resultar de utilidad para el desarrollo de futuros dispositivos lab-on-a-chip. Los resultados obtenidos son prometedores y, aunque queda mucho por explorar en ambas líneas, en un futuro, se podrían combinar de manera que se asegure el flujo adecuado de partículas a la región de trabajo.