Un sensor de microfluidos polimérico suspendido para medir el caudal de líquido en microcanales

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 2642 (2022) Citar este artículo

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En este estudio, se diseñó y fabricó un sensor de flujo en voladizo de microfluidos para monitorear el caudal de líquido dentro del rango de 100 a 1000 µl/min. También se realizó una simulación del sistema para determinar los parámetros óptimos influyentes y comparar los resultados con datos experimentales. Se construyó un caudalímetro como un voladizo curvo con dimensiones de 6,9 × 0,5 × 0,6 mm3 y un microcanal tallado con un láser de CO2 dentro del haz del voladizo. La sustancia de fabricación fue polidimetilsiloxano. Se inyectaron diferentes caudales utilizando una bomba de jeringa para probar el rendimiento del caudalímetro. El desplazamiento vertical del voladizo se midió en cada caudal utilizando un microscopio digital. Según los resultados, la precisión general del dispositivo a escala real fue de hasta ± 1,39% y el tiempo de respuesta del sensor medido fue de 6,3 s. La sensibilidad del microchip fue de 0,126 µm/(µl/min) en el rango de caudales medidos. El sensor también podría utilizarse varias veces con un valor de error aceptable. Los datos experimentales obtenidos por el microchip construido tuvieron una tendencia lineal (R2 = 0,995) y tuvieron buena coherencia con los resultados de la simulación. Además, según los datos experimentales y de simulación, la estructura en voladizo inicialmente curvada tenía un mayor nivel de flexión y sensibilidad que una construcción en voladizo perfectamente recta.

En las últimas décadas, la tecnología de microfluidos se ha utilizado ampliamente en diversas aplicaciones. Gracias a la posibilidad de utilizar una pequeña cantidad de muestra, este tipo de sensores ha captado el interés como dispositivo útil para realizar operaciones, incluidas separaciones, reacciones o la detección de diversos objetos, como materiales y partículas. Esta tecnología también se ha empleado en aplicaciones biomédicas, por ejemplo, administración de fármacos, análisis de ADN/genes y diagnóstico de enfermedades mediante laboratorio en un chip (LOC) u órgano en un chip, microrreactores y análisis micro total. sistemas de análisis (µTAS)1. Esta tecnología también se aplica a productos comerciales, incluidas las pruebas de embarazo caseras, las pruebas rápidas de virus (p. ej., VIH; herpes simple; COVID-19; y hepatitis A, B y C) y la detección de glucosa en sangre2,3.

Un flujo de líquido estable en el sistema de microfluidos es crucial ya que las variaciones del flujo inducen directamente fallas del producto1,4,5, especialmente en aplicaciones como clasificación y separación de partículas, citometría de flujo, mezcla de flujo, síntesis química y reacción en cadena de la polimerasa (PCR)6 . Para este fin se utilizan a menudo un caudalímetro másico Coriolis y una bomba de jeringa de precisión. Sin embargo, están limitados por el tamaño, el alto costo y la compleja conexión a los microchips7. Por lo tanto, los investigadores han propuesto los sistemas microelectromecánicos (MEMS) como un medio para miniaturizar los sensores de flujo. Debido a su bajo consumo de energía, alta precisión, corto tiempo de respuesta, portabilidad y rentabilidad, los sensores de flujo basados en MEMS son ideales para su uso en sistemas de microfluidos1.

Los sensores de flujo MEMS son térmicos o no térmicos. Los sensores de flujo térmico son los dispositivos más disponibles comercialmente para su uso en sistemas de microfluidos debido a su alta sensibilidad3. Kim et al.8 determinaron el caudal de líquido calentando y detectando electrodos para medir la distribución térmica dentro del microcanal. Zhao et al.7 desarrollaron un microchip de detección térmica de tiempo de vuelo basado en excitaciones térmicas. Debido a la alta difusividad térmica, la pérdida de calor a través de microcanales puede ser peligrosa para aplicaciones particulares, como células vivas, lo que hace que el sensor responda incorrectamente9. También se encuentran disponibles sensores de flujo no térmicos, incluida la medición del caudal basada en cambios en la conductividad de un resonador de microondas4, un sensor electroquímico que mide los cambios de conductividad iónica9, velocimetría de imagen de microburbujas que utiliza burbujas de gas como trazador10, un medidor de flujo optofluídico que utiliza micro/nanofibras11, y un sistema de dosificación de volumen digital que funciona detectando eléctricamente la frecuencia de generación de gotas12.

Para determinar el caudal también se utilizan a menudo sensores de flujo mecánicos que comprenden un dispositivo móvil, como un voladizo, un resorte o un diafragma. Estos sensores pueden tener un diseño sencillo, son rentables y funcionan de manera sencilla1. En los últimos años, la medición de caudal en voladizo ha despertado mucho interés. Un voladizo se dobla cuando se le aplica una fuerza. Una estructura en voladizo consta de una parte móvil y otra fija. En consecuencia, un voladizo está hecho de una membrana delgada, una viga o una placa con un lado unido a un soporte y el otro libre para doblarse. Un sensor de flujo en voladizo es un tipo de medidor de flujo de presión en el que el flujo está en contacto con la superficie del voladizo, lo que hace que el voladizo se doble en la dirección de la fuerza que actúa. Para calcular el caudal utilizando una curva de calibración, la deflexión debe medirse utilizando métodos ópticos, piezoeléctricos, piezoresistivos o capacitivos13. Como ejemplo de medición de flujo con una estructura en voladizo, Naveen et al.14 crearon un voladizo de acero inoxidable a lo largo de la tubería para medir el caudal en grandes volúmenes. Se empleó análisis de imágenes para determinar la deflexión del voladizo. Hamdollahi et al.15 también estudiaron un caudalímetro de aire en voladizo que calcula el caudal de gas mediante procesamiento de imágenes.

Debido a su estructura y función simples, el voladizo tiene la capacidad favorable de usarse como sensor de flujo en sistemas de microfluidos. Se informa que los microcantilevers se utilizan en sistemas de microfluidos, incluida la detección de analitos16, la biodetección de ADN17, la detección de iones de metales pesados18 y los viscosímetros19. En este sentido, se llevaron a cabo algunos trabajos iniciales en el campo de la medición de flujo de sistemas microfluídicos. Aiyar et al.20 desarrollaron un sensor de flujo de aire micromecanizado en vehículos aéreos para percibir una piel artificial midiendo la velocidad del aire. En su trabajo se utilizó una película de poliimida (Kapton) como material base del sensor. Quist et al.21 desarrollaron un sensor en voladizo piezoresistivo para medir el caudal y la viscosidad en microcanales y refinaron la estructura del haz para medir la velocidad del fluido en términos de cm/s. Lien et al.22 también fabricaron un sensor de flujo en voladizo de fibra óptica para flujo de líquido en un microcanal con alta sensibilidad y rango dinámico de 0 a 1500 µl/min. Posteriormente, a medida que avanzaba la tecnología, se propusieron formas más complejas de caudalímetros para medir las características del flujo en microcanales. Ju et al.23, por ejemplo, estudiaron un sensor de vibración inducido por flujo para monitorear el flujo. El sensor era un voladizo de fibra óptica grabada con un diámetro de 9 µm para detectar flujo dentro de un microcanal con dimensiones de 100 × 70 µm2, que también podría usarse para analizar propiedades de líquidos no newtonianos. Sanati Nezhad et al.5 construyeron un microvoladizo de polidimetilsiloxano (PDMS) multicapa incorporado dentro de un dispositivo de microfluidos y utilizaron un microscopio óptico para evaluar la flexión del voladizo. En otro trabajo, Neoth et al.6 diseñaron dos sensores de flujo en microcantilever hechos de materiales SU-8 y SiN para indicar el efecto de los agujeros de la superficie en la deformación del voladizo utilizando un sistema detector sensible a la posición (PSD) que monitorea el nivel final. Cheri et al.1 fabricaron un sensor de flujo optofluídico en voladizo integrado con fibras ópticas para la medición del caudal en tiempo real. En lugar de un método de litografía multicapa que requiere mucho tiempo, el proceso de fabricación se llevó a cabo mediante el método de fundición mediante grabado láser de PMMA. Wang et al.24 diseñaron un voladizo independiente basado en piezorresistivo para medir la velocidad del flujo de aire. En su estudio, la resistencia del pizeorresistor de platino afectó a la viga en voladizo a medida que cambiaba el flujo de aire. La resistencia del platino también se determinó utilizando un medidor LCR externo. Verlinden et al.25 propusieron un voladizo AFM de microfluidos de dos canales para permitir la dosificación de múltiples reactivos dentro de otro entorno líquido como una aplicación para resaltar la importancia de la métrica de flujo en reacciones (bio)químicas. Este dispositivo era capaz de controlar caudales que iban desde femtolitros hasta picolitros por segundo. Garrett et al.26 también propusieron un sensor de flujo de microfluidos biocompatible para evaluar la derivación de líquido cefalorraquídeo como sensor funcional en la industria médica. Este voladizo PDMS podría detectar caudales dentro del rango de 20 a 120 ml/h, que es el rango particular para el líquido cefalorraquídeo.

En este estudio se llevó a cabo la fabricación y caracterización de un sensor de flujo de líquido en micro voladizo polimérico. El diseño de este sensor se inspiró en los sistemas de microfluidos poliméricos suspendidos (SPMF), que se emplean comúnmente para la detección de partículas en aplicaciones biológicas27 o para monitorear la densidad y viscosidad de fluidos19. En este campo, el voladizo no está expuesto al flujo, sino que el líquido pasa a través del microcanal incrustado dentro del voladizo y la fuerza del flujo que actúa sobre las paredes interiores hace que se doble. Antes del proceso de fabricación, se realizó una simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) en 3D para diseñar un tamaño apropiado para la construcción de microcanales y voladizos. Los resultados de la simulación en el sistema son necesarios para determinar el rango de caudal dinámico dentro del cual el voladizo tiene una respuesta lineal28. Para omitir los pasos de la litografía convencional, el microcanal se grabó con un láser de CO2 en una capa polimérica PDMS preparada para fabricar el sensor. En esta investigación, se evaluó el efecto de la geometría inicialmente curvada del voladizo sobre el rendimiento del caudalímetro y se comparó con la geometría inicialmente recta. Posteriormente, se hizo una comparación entre los resultados de la simulación y los datos experimentales, y se evaluó el grado de conformidad.

Como se mencionó anteriormente, el cambio en la dirección del fluido dentro del microcanal aplica fuerza sobre el voladizo y lo deforma. El funcionamiento fundamental del caudalímetro se muestra en la Fig. 1a. La fuerza sobre la pared en voladizo actúa en dirección vertical y horizontal. La presión del fluido es la fuente de la fuerza aplicada verticalmente, mientras que la fuerza horizontal proviene del esfuerzo cortante29. Sin embargo, la deformación en voladizo se rige por la ecuación de Stoney que se indica a continuación13.

donde \(\delta\) es la deformación vertical del voladizo, E y \(\nu\) respectivamente son el módulo de Young y el coeficiente de Poisson del sustrato utilizado en la estructura de la viga. \(\sigma\) indica la tensión normal aplicada al material. F es la fuerza aplicada al voladizo, \(\mu\) es la viscosidad del fluido, \(\Delta u\) indica el cambio de velocidad, A es la superficie del voladizo perpendicular al fluido y \({k}_ {m}\) es el factor de rigidez para un voladizo con una longitud de ly un espesor de t.

(a) El proceso operativo fundamental del caudalímetro. (b) Comparación de los resultados de las simulaciones para el desplazamiento en voladizo en formas curvas y rectas.

La sensibilidad de un sensor en voladizo está determinada por sus dimensiones físicas y las propiedades mecánicas del material del que está hecho30. El diseño preliminar del sistema se realizó mediante simulación para lograr las dimensiones adecuadas para construir un sensor de alta sensibilidad en el rango del caudal requerido. Aquí, alta sensibilidad se refiere a una alta deflexión del voladizo en el rango de caudal requerido. Se deben optimizar los parámetros que afectan la deflexión del voladizo, como el tipo de material, las dimensiones del voladizo y del microcanal, la geometría del microcanal y las coordenadas de ubicación dentro del voladizo. En consecuencia, se utilizó una mecánica de sólidos acoplada y un fenómeno de flujo laminar para simular la interacción entre el fluido y la estructura sólida en COMSOL Multiphysics 5.3. Los supuestos utilizados para simplificar el problema incluyen flujo de fluido laminar en estado estacionario, completamente desarrollado, condición de contorno antideslizante, sección transversal cuadrada perpendicular al fluido y superficie de pared lisa. Los balances de masa y momento para ecuaciones elásticas de fluidos y sólidos en condiciones de estado estacionario se expresan de la siguiente manera:

donde \(\rho (\mathrm{kg}/{\mathrm{m}}^{3})\) representa la densidad del fluido, u (m/s) es el vector de velocidad del fluido, p (Pa) es la presión, I es la matriz identidad, \(\eta \left(\mathrm{kg}/\mathrm{ms}\right)\) es la viscosidad del fluido, F es la densidad de la fuerza de aceleración, \({F}_{\nu } \) es la fuerza aplicada al sólido por unidad de espacio, y \(\sigma\) (N/m2) es la tensión total aplicada a la pared interior del microcanal. Las ecuaciones se resolvieron utilizando las condiciones de contorno que se enumeran a continuación.

El caudal de entrada estable del fluido estuvo en el rango de 100 a 1000 µl/min.

La presión relativa del fluido de salida es igual a 0 debido a que ingresa al ambiente atmosférico.

Condición de contorno antideslizante para paredes interiores de microcanales

Definición de restricción fija para microcantilever en la base de entrada

Definición del voladizo como material elástico lineal

El rendimiento del sensor depende de la cantidad de desplazamiento total que se produce en el extremo libre del voladizo debido a los diferentes caudales. En este sentido, el nivel de flexión del voladizo se optimizó mediante software en el rango deseado. Después de la simulación e investigación de todos los factores que afectan la flexión del voladizo, se obtuvo el valor óptimo para cada parámetro, como se muestra en la Tabla 1. Además, según los resultados de la simulación, la construcción de un voladizo curvo juega un papel determinante en el aumento de la flexión. Para ello, se comparó el efecto de las diferentes formas iniciales (curvatura) del voladizo sobre los valores de flexión, como se muestra en la Fig. 1b. Según este diagrama, el valor de flexión del voladizo curvo es mayor que el del recto para el mismo rango de caudal. Por lo tanto, es preferible fabricar un voladizo con una construcción curva para aumentar la sensibilidad del sensor. Cabe mencionar que aumentar el valor de curvatura del voladizo tiene un efecto positivo en la deflexión.

La Figura 2 ilustra el esquema del proceso de fabricación del microcantilever. Con el fin de proporcionar una capa polimérica para la fabricación de sensores en voladizo, se preparó una mezcla de polidimetilsiloxano (PDMS) con una proporción de 1:10 (entrecruzador:base) y se vertió en una base de vidrio para moldear una capa suave con un dispositivo aplicador. . Después del proceso de desgasificación a través de una bomba de vacío (GEC BS500011, Inglaterra), las películas fundidas se hornearon a 70 °C durante 24 h. Luego, la película polimérica resultante se despegó del vidrio. Para fabricar un voladizo con un espesor total de 600 µm, se prepararon dos películas con espesores de 100 y 500 µm. Posteriormente, la forma diseñada para microcanal y voladizo en dimensiones óptimas se dibujó con el software CorelDRAW v.X7 y se preparó para grabar en una capa de polímero con un espesor de 500 µm mediante láser de CO2 (Yuemimg Laser PM1380, China). En las figuras 3a a c se muestran fotografías de la película PDMS grabada.

El proceso de fabricación del microchip: (a) proceso de fundición de capa suave, (b) paso de desgasificación, (c) proceso de calentamiento, (d) paso de grabado con láser de CO2, (e) películas PDMS preparadas y (f) representación esquemática del Sensor microcantilever fabricado.

(a – c) Diferentes vistas transversales de la película PDMS después del grabado y corte con láser de CO2. (d) Tratamiento de la superficie del polímero a través de plasma corona antes de unir dos capas, (e) y (f) forma final del sensor. Las fotos fueron tomadas con el software HiView v. 1.4 (http://www.hvscam.com).

Después del proceso de grabado, las películas preparadas se lavaron con isopropanol para eliminar las partículas adicionales del láser. Luego, se prepararon películas limpias para unirlas para formar el microcanal. Este paso se llevó a cabo aplicando una capa adhesiva, que se preparó mezclando PDMS y tolueno en una proporción de 1:2 en ambas películas poliméricas31 (ver Fig. 2f). Cabe señalar que el tratamiento con plasma en la superficie aumenta el nivel hidrófilo de las películas de PDMS y mejora la cobertura de la superficie con la capa adhesiva32,33. Por lo tanto, antes de recubrir las películas con pegamento, una de ellas fue tratada con radiación de plasma corona. Después de aplicar adhesivo en películas de 100 y 500 μm, se colocaron suavemente una encima de la otra, se calentaron durante 15 minutos a 70 °C para el horneado inicial y se dejaron a temperatura ambiente durante 24 h sin ningún desplazamiento. Posteriormente, las películas quedaron completamente pegadas entre sí y quedaron listas para la inyección de fluido. Para fijar un lado del voladizo, el microchip polimérico se intercaló entre láminas de PMMA excepto la parte del voladizo. Para ello se preparó un adhesivo del mismo tipo y se utilizó irradiación de corona de plasma. También fue necesaria una etapa de bombeo de vacío para eliminar el aire atrapado entre las láminas de PDMS y PMMA. La Figura 3d-f muestra el tratamiento de corona de la superficie PDMS y el sensor de microflujo final después del proceso de fijación.

La configuración experimental se demuestra en las figuras 4a a c. Para inyectar líquido en el microcanal, se empleó una bomba de jeringa calibrada de alta precisión (SP125, Irán). Se utilizó un tubo de silicona con un diámetro de 1 mm para conectar el chip a la bomba de jeringa. Además, se utilizó un pequeño trozo de tubo rígido de teflón con un diámetro de 1 mm para conectar el tubo de silicona y la lámina de PMMA. Vale la pena señalar que las conexiones se sellaron con pegamento impermeable para evitar fugas de líquido de las conexiones. Se aplicó un microscopio digital CMOS (1600x, China) para medir el valor de flexión vertical del microcantilever. El microscopio se colocó perpendicular al voladizo y la medición se realizó mediante el software HiView v.1.4. En la Fig. 4d se muestra un ejemplo del proceso de medición.

(a) Esquema de la configuración experimental para la medición de flujo mediante microcantilever, (b), (c) sistema de fotografía y (d) medición del desplazamiento vertical del voladizo curvo mediante el software HiView v.1.4 (http://www.hvscam .com).

El rendimiento ante la flexión es la característica crítica de un sensor después de su uso varias veces. Por lo tanto, se examinó la repetibilidad del sensor de flujo comparando la deformación vertical del voladizo en múltiples aplicaciones. La Figura 5a, b muestra los datos de deformación vertical para tres pruebas diferentes realizadas en un día bajo las mismas condiciones de laboratorio y en intervalos de tiempo iguales para evaluar la característica de repetibilidad del medidor de flujo. Según los datos, la desviación estándar promedio de la respuesta del sensor fue de aproximadamente 1,9. Vale la pena mencionar que el instrumento no puede medir con precisión la cantidad de deformación a caudales inferiores a 200 L/min debido a la baja resolución de la cámara de medición de desplazamiento. Además, la prueba se repitió después de una semana para estudiar el efecto del intervalo de tiempo sobre el desplazamiento vertical del voladizo en las mismas condiciones de laboratorio. Según esta comparación, a medida que aumenta el número de veces que se utiliza el microchip para medir el caudal, el valor final del desplazamiento vertical cambia significativamente y se desvía del valor original, especialmente a caudales más altos. En consecuencia, se puede deducir que el sensor requiere recalibración para usos a largo plazo.

El valor del desplazamiento vertical del voladizo (a) los resultados observados para tres pruebas diferentes y (b) la linealización y el error medido después de tres pruebas. (c, d) La reversibilidad del sensor al estado inicial en el uso consecutivo del microcaudalímetro en dos modos de caudales de entrada constante y variable.

Otra característica esencial de los sensores mecánicos es su capacidad mecánica para volver a su posición original después de múltiples usos. Para estudiar esta característica del sensor, se realizaron dos pruebas independientes: caudal de entrada constante y caudal de entrada creciente. En cualquier caso, la posición inicial del voladizo correspondiente al eje vertical se midió utilizando una cámara digital. El desplazamiento del voladizo debido a la fuerza ejercida por el fluido se midió al comienzo de la inyección de fluido en el microcanal y su valor se registró en un minuto. Luego se devolvió el voladizo a su estado original al finalizar la inyección de fluido en el microcanal. Luego, después de una pausa de un minuto, se repitió el procedimiento de medición de la misma forma. Este experimento se llevó a cabo en el sensor fabricado en dos modos diferentes de caudal de entrada constante y creciente. Los resultados se presentan en la Fig. 5c, d, respectivamente. Según los resultados de estas pruebas, la probabilidad de reversibilidad del sensor puede desviarse hasta un 15% de la posición inicial a un caudal constante, especialmente con valores de caudal de entrada más altos. Esta desviación se redujo al 5% a medida que aumentó el caudal de entrada. Como polímero elástico, el PDMS muestra una excelente robustez contra la fatiga. Según el resultado informado en las Figs. 5c, d, solo quedó una pequeña cantidad de tensión dentro de las capas poliméricas del voladizo después de usar el sensor varias veces. Por tanto, la robustez del sensor frente a la fatiga es aceptable. Sin embargo, el voladizo volverá a su posición original si se le da suficiente tiempo. Al usar este sensor, una falla grave es que la unión entre las capas unidas podría romperse debido a la presión del fluido creada por el flujo de fluido fuera de rango. En este caso, la unión entre las capas se romperá y se producirá la fuga. En consecuencia, la medición fallará.

Es factible cuantificar la cantidad de error del dispositivo en cada repetición en relación con el rendimiento promedio utilizando los datos recopilados de numerosos usos para determinar la precisión del sensor. Para ello, se calcularon dos tipos de error relativo y de escala completa. El resultado del error relativo se muestra en la Fig. 6a. Según los resultados, a caudales bajos, el error del dispositivo es mucho más significativo que a caudales altos, lo que puede atribuirse a la baja precisión del microscopio al medir el desplazamiento en rangos de flujo bajos. Finalmente, se determinó que el porcentaje de error promedio a gran escala del sensor era ± 1,39%.

(a) Porcentaje de error relativo de la deformación del microvoladizo en diferentes caudales. (b) Deformación vertical en voladizo frente al tiempo para un caudal de entrada de 800 µl/min. Comparación entre cambios en (c) resultados experimentales y de simulación y (d) datos normalizados en diferentes caudales de entrada.

Cuanto más corto sea el tiempo de respuesta de un caudalímetro, más instantáneamente podrá utilizarse. El tiempo de respuesta del sistema se refiere al tiempo que tarda el voladizo en estabilizarse en una posición fija después de encender la bomba de jeringa. En general, el grado de elasticidad del material utilizado en la fabricación de un sensor en voladizo puede afectar su tiempo de respuesta, además de la intensidad del fluido de entrada. Por lo tanto, el uso de un material más elástico para fabricar un sensor en voladizo provoca cambios rápidos de posición. Finalmente, después de analizar el tiempo de respuesta del sistema a diferentes caudales de entrada, se determinó que el tiempo de respuesta promedio del medidor de flujo fue de 6,3 s. La Figura 6b ilustra el valor de deformación vertical del voladizo a un caudal de entrada de 800 µl/min.

Los resultados de la comparación entre el valor promedio del desplazamiento vertical del voladizo a diferentes caudales y los resultados de la simulación para el mismo microchip son notables, como se muestra en la Fig. 6c. Según este resultado, a medida que aumenta el caudal de entrada, la desviación entre los resultados de simulación y experimentales aumenta de modo que se observa un error relativo del 25,8% entre ellos. Por lo tanto, normalizar cada conjunto de datos y calcular el valor P es una excelente manera de comparar el grado de conformidad entre los resultados. La Figura 6d indica los datos experimentales y de simulación normalizados con un valor de P calculado de 0,328, lo que indica una buena conformidad entre ellos. La desviación entre los resultados se puede atribuir a la rugosidad de la superficie de los microcanales causada por el grabado láser en el polímero, lo que provoca una mayor fricción entre la superficie y el fluido. Posteriormente, el régimen de flujo dentro del microcanal se vuelve un poco turbulento. Por el contrario, en los supuestos de simulación, la superficie interna del microcanal se considera completamente lisa con flujo laminar hidrodinámico.

La distribución de la velocidad del fluido en ciertas secciones transversales se muestra en la Fig. 7. Según los resultados obtenidos por la simulación a un caudal de 700 µl/min, el flujo hidrodinámico dentro del microcanal es laminar y no se observan turbulencias a lo largo del recorrido del flujo. En un área determinada del voladizo, la velocidad máxima se observó en el centro del microcanal, cuyo valor aproximado es igual a 0,3 m/s (Fig. 7a). Sin embargo, a medida que cambia la sección transversal vertical, la velocidad del fluido se reduce debido a la flexibilidad del material. La fuerza de impulso resultante de este cambio de velocidad conduce a la deformación del voladizo, como se puede ver en las figuras 7b-d. Dado que un voladizo es un tipo de caudalímetro de presión cuyo rendimiento depende de la fuerza aplicada, se debe estudiar la distribución general de la tensión. Para este propósito, en la Fig. 7e, f se muestra la distribución de la tensión del fluido en la superficie superior de la pared del microcanal en un diagrama bidimensional para voladizos rectos y curvos. Según el diagrama, es evidente que la tensión total aplicada por el fluido aumentará al hacer un voladizo curvo. Según los resultados, el esfuerzo cortante máximo pertenece al cambio en la dirección del fluido, cuyo valor es igual a 2000 y 4500 N/m2 en microcantilever recto y microcantilever curvo, respectivamente. Un fluido ejerce tensión sobre las paredes del microcanal tanto en dirección normal como tangente. Esta tensión surge debido a cambios en la velocidad (esfuerzo cortante) y la presión (esfuerzo normal) dentro del microcanal. En un voladizo recto, la tensión ejercida por el fluido es tangente a la pared, mientras que al hacer un voladizo curvo, la tensión se aplica a la superficie de la pared en un cierto ángulo y hace que el voladizo empuje a lo largo de la dirección del flujo y se doble.

Distribución de velocidad bidimensional con un caudal de entrada de 700 µl/min en una capa curva, distancia longitudinal desde el origen de coordenadas (a) 30.000 µm, (b) 35.000 µm, (c) 36.000 µm y (d) 36.500 µm . Distribución de la tensión aplicada por el fluido a la pared del microcanal a un caudal de entrada de 600 µl/min. (e) voladizo recto, y (f) voladizo curvo. (COMSOL Multifísica 5.3, https://www.comsol.com).

En este estudio, se fabricó un sistema de microfluidos polimérico suspendido para monitorear el caudal de líquido en un microcanal. Antes del proceso de fabricación, se realizó un análisis de simulación para optimizar las dimensiones y otros factores contribuyentes. Según los resultados de la simulación, cuanto mayor sea la superficie perpendicular al flujo, mayor será la cantidad de fluido que entrará en el voladizo, lo que provocará que aumente la flexión. El caudalímetro suspendido polimérico fabricado con una sensibilidad de 0,126 µm/(µl/min) mide el caudal dentro del rango de 100 a 1000 µl/min. Al final, según la comparación entre los resultados experimentales y los datos de simulación, se obtuvo una consistencia aceptable. El principal resultado de este trabajo se refiere a la curvatura del voladizo, afirmando que para una medición precisa se prefiere una estructura curva a una recta. Además, muchos caudalímetros comerciales convencionales no son adecuados para medir caudales bajos. A pesar del bajo número de estudios realizados en este campo, el presente artículo fue un intento de proporcionar un caudalímetro adecuado a escala de microfluidos. Las ventajas del caudalímetro propuesto incluyen su precio razonable y su método de fabricación simple debido a su estructura simple que consta de solo dos capas delgadas de polímero y el método de grabado láser requerido para su fabricación. Otras ventajas son la alta sensibilidad y la deflexión lineal del voladizo basada en diferentes flujos de fluido. Los resultados fueron aceptables en términos de precisión y repetibilidad, y se obtuvo un error inferior al 2%. Por otro lado, para su comercialización se debería emplear un método de detección más adecuado, como puede ser la resistencia o la técnica capacitiva.

Cheri, MS y cols. Medición en tiempo real del caudal en dispositivos de microfluidos utilizando un sensor optofluídico basado en voladizo. Analista 139, 431–438 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Niculescu, A.-G., Chircov, C., Bîrcă, AC & Grumezescu, AM Fabricación y aplicaciones de dispositivos de microfluidos: una revisión. En t. J. Mol. Ciencia. 22, 2011 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, L. Enfoques de detección de flujo de microfluidos en Avances en microfluidos y manofluidos (IntechOpen, 2021).

Zarifi, MH, Sadabadi, H., Hejazi, SH, Daneshmand, M. & Sanati-Nezhad, A. Sensor de flujo de microfluidos de microondas no intrusivo y sin contacto para ingeniería biomédica y energética. Ciencia. Representante 8, 139-139 (2018).

ADS del artículo Google Scholar

Nezhad, AS et al. Integración de sensor de flujo basado en microcantilever PDMS para laboratorio en un chip. IEEE Sens. J. 13, 601–609 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Noeth, N., Keller, SS y Boisen, A. Sensores de flujo integrados en voladizo con sensibilidad ajustable para el monitoreo en línea de las fluctuaciones del flujo en sistemas de microfluidos. Sensores 14, 229–244 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Zhao, P.-J., Gan, R. & Huang, L. Un medidor de flujo de microfluidos con elementos sensores térmicos micromecanizados. Rev. Ciencia. Instrumentos 91, 105006 (2020).

Kim, J., Cho, H., Han, S.-I., Han, A. y Han, K.-H. Un sensor de flujo de microfluidos desechable con un sustrato de detección reutilizable. Sens. Actuadores B Chem. 288, 147-154 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Park, S., Abu-Rjal, R., Rosentsvit, L. y Yossifon, G. Nuevo sensor de flujo electroquímico basado en la detección de la capa de concentración iónica convectiva-difusiva. Sensores ACS 4, 1806–1815 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Tang, M. y col. Medición del caudal de microfluidos sencilla y cómoda basada en velocimetría de imágenes de microburbujas. Microfluido. Nanofluido. 23 (2019).

Zhang, Z. y col. La película suave integrada de micro/nanofibra óptica permite la detección de flujo multifuncional en chips de microfluidos. Chip de laboratorio 20, 2572–2579 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Francis, J., Stamper, I., Heikenfeld, J. & Gomez, EF Sensor digital de caudal de nanolitros a mililitros con demostración in vivo para la medición continua de la tasa de sudoración. Chip de laboratorio 19, 178–185 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Shadmand, Z., Shahrouzi, JR y Chaboki, HH Diseño y fabricación de un sensor de flujo en microvoladizo a base de grafeno para medir el flujo de líquidos. Sens. Actuadores A Phys. 317, 112438.

Naveen, H., Narasimhan, S., George, B. y Tangirala, AK Diseño y desarrollo de un sensor de flujo en voladizo de bajo costo. IFAC-PapersOnLine 53, 111–116. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2020.06.019 (2020).

Artículo de Google Scholar

Hamdollahi, H. & Rahbar-Shahrouzi, J. Fabricación y evaluación de un caudalímetro tipo voladizo a base de óxido de grafeno para la medición del caudal de gas subsónico. Medidas. Ciencia. Tecnología. 29, 055301. https://doi.org/10.1088/1361-6501/aaaa47 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kartanas, T. y col. Biosensor sin etiquetas de factor de calidad mejorado con micro voladizos integrados en sistemas de microfluidos. Anal. Química. 89, 11929-11936. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b01174 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Pinto, RM, Chu, V. & Conde, JP Biodetección de ADN sin etiquetas en microfluidos utilizando micro voladizos capacitivos de silicio amorfo. IEEE Sens. J. 20, 9018–9028 (2020).

CAS Google Académico

Rotake, DR, Darji, AD y Kale, NS Diseño de una configuración experimental de microfluidos para la detección de iones de metales pesados utilizando un sensor de biomemas piezorresistivos. Microelectrón. En t. (2019).

Marzban, M., Packirisamy, M. & Dargahi, J. Estudio paramétrico sobre la interacción fluido-estructura de microfluidos poliméricos suspendidos 3D (SPMF 3). Microsistema. Tecnología. 24, 2549–2559 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Aiyar, AR, Song, C., Kim, S.-H. & Allen, MG Un sensor de flujo de aire totalmente polimérico que utiliza un elastómero compuesto piezorresistivo. Madre inteligente. Estructura. 18, 115002. https://doi.org/10.1088/0964-1726/18/11/115002 (2009).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Quist, A., Chand, A., Ramachandran, S., Cohen, D. y Lal, R. Sensor de viscosidad y nanoflujo basado en voladizo piezoresistivo para microcanales. Chip de laboratorio 6, 1450-1454 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Lien, V. & Vollmer, F. Detección de caudal de microfluidos basada en un voladizo de fibra óptica integrado. Chip de laboratorio 7, 1352-1356 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Ju, P.-Y., Tsai, C.-H., Fu, L.-M. y Lin, C.-H. en 2011, 16ª Conferencia Internacional de Microsistemas, Actuadores y Sensores de Estado Sólido. 1428-1431 (IEEE).

Wang, Y.-H., Lee, C.-Y. y Chiang, C.-M. Un sensor de flujo de aire basado en MEMS con una estructura de micro voladizo independiente. Sensores 7, 2389–2401 (2007).

ADS del artículo Google Scholar

Verlinden, E. et al. Dosificación de volumen y concentración en picolitros mediante un voladizo AFM de microfluidos de dos canales. Nanoescala 12, 10292–10305 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Garrett, A. y col. Un sensor de flujo de microfluidos pasivo y biocompatible para evaluar los flujos en una derivación de líquido cefalorraquídeo. Sens. Actuadores A Phys. 312, 112110 (2020).

Sadabadi, H. & Packirisamy, M. Plataforma de microfluidos poliméricos suspendidos nanointegrados (SPMF) para el reconocimiento biomolecular ultrasensible de hormonas de crecimiento bovino. Ciencia. Representante 7, 1-10 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Nezhad, AS et al. Integración de sensor de flujo basado en microcantilever PDMS para laboratorio en un chip. IEEE Sens. J. 13, 601–609 (2012).

ADS del artículo Google Scholar

Marzban, M., Packirisamy, M. y Dargahi, J. Microfluidos poliméricos suspendidos 3D (SPMF3) con flujo ortogonal a la flexión (FOB) para análisis de fluidos mediante viscosidad cinemática. Aplica. Ciencia. 7, 1048. https://doi.org/10.3390/app7101048 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Mathew, R. & Sankar, AR Una revisión sobre sensores en voladizo polimérico SU-8 piezoresistivos miniaturizados basados en tensiones superficiales. Nano-micro Lett. 10, 35 (2018).

ADS del artículo Google Scholar

Douville, Nueva Jersey y col. Fabricación de un sistema de canales de dos capas con electrodos integrados para medir la resistencia a través de barreras epiteliales y endoteliales. Anal. Química. 82, 2505–2511. https://doi.org/10.1021/ac9029345 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tsao, C.-W. & DeVoe, DL Unión de microfluidos de polímeros termoplásticos. Microfluido. Nanofluido. 6, 1-16 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, C., Wang, W. y Li, Z. en 2009, 4ª Conferencia Internacional IEEE sobre Sistemas Moleculares y de Ingeniería Nano/Micro. 319–322 (IEEE).

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Facultad de Ingeniería Química, Universidad Tecnológica de Sahand, Ciudad Nueva de Sahand, Tabriz, Irán

Fatemeh Mohammadamini, Javad Rahbar Shahrouzi y Mitra Samadi

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Todos los autores contribuyeron de igual forma en este trabajo.

Correspondencia a Javad Rahbar Shahrouzi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Mohammadamini, F., Rahbar Shahrouzi, J. y Samadi, M. Un sensor de microfluidos polimérico suspendido para medir el caudal de líquido en microcanales. Informe científico 12, 2642 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06656-z

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Recibido: 30 de septiembre de 2021

Aceptado: 25 de enero de 2022

Publicado: 16 de febrero de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-06656-z

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