Un capteur microfluidique polymère suspendu pour la mesure du débit de liquide dans les microcanaux

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 2642 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Dans cette étude, un capteur de débit microfluidique en porte-à-faux a été conçu et fabriqué pour surveiller le débit de liquide compris entre 100 et 1 000 µl/min. Une simulation du système a également été réalisée pour déterminer les paramètres optimaux influents et comparer les résultats avec les données expérimentales. Un débitmètre a été construit sous la forme d'un porte-à-faux incurvé de dimensions 6,9 × 0,5 × 0,6 mm3 et d'un microcanal sculpté avec un laser CO2 à l'intérieur du faisceau en porte-à-faux. La substance de fabrication était du polydiméthylsiloxane. Différents débits ont été injectés à l’aide d’un pousse-seringue pour tester les performances du débitmètre. Le déplacement vertical du porte-à-faux a été mesuré dans chaque débit à l'aide d'un microscope numérique. Selon les résultats, la précision globale du dispositif à pleine échelle atteignait ± 1,39 % et le temps de réponse du capteur était de 6,3 s. La sensibilité de la micropuce était de 0,126 µm/(µl/min) dans la plage des débits mesurés. Le capteur pourrait également être utilisé plusieurs fois avec une valeur d'erreur acceptable. Les données expérimentales obtenues par la puce construite avaient une tendance linéaire (R2 = 0,995) et étaient en bonne cohérence avec les résultats de simulation. De plus, selon les données expérimentales et de simulation, la structure en porte-à-faux initialement incurvée présentait un niveau de flexion et de sensibilité plus élevé qu'une construction en porte-à-faux parfaitement droite.

Au cours des dernières décennies, la technologie microfluidique a été largement utilisée dans diverses applications. Grâce à la possibilité d'utiliser une petite quantité d'échantillon, ce type de capteur a suscité un certain intérêt en tant que dispositif utile pour effectuer des opérations, notamment des séparations, des réactions ou la détection de divers objets, tels que des matériaux et des particules. Cette technologie a également été utilisée dans des applications biomédicales, par exemple l'administration de médicaments, l'analyse ADN/gène et le diagnostic de maladies par laboratoire sur puce (LOC) ou organe sur puce, microréacteurs et micro-total. systèmes d’analyse (µTAS)1. Cette technologie s'applique également aux produits commerciaux, notamment les tests de grossesse à domicile, les tests rapides de dépistage de virus (par exemple, le VIH, l'herpès simplex, le COVID-19 et l'hépatite A, B et C) et la détection de la glycémie2,3.

Un flux de liquide stable dans le système microfluidique est crucial puisque les variations de débit induisent directement une défaillance du produit1,4,5, en particulier dans des applications telles que le tri et la séparation des particules, la cytométrie en flux, le mélange en flux, la synthèse chimique et la réaction en chaîne par polymérase (PCR)6. . Un débitmètre massique Coriolis et un pousse-seringue de précision sont souvent utilisés à cette fin. Cependant, ils sont limités par leur taille, leur coût élevé et leur connexion complexe aux micropuces7. Ainsi, des systèmes microélectromécaniques (MEMS) ont été proposés par les chercheurs comme moyen de miniaturiser les capteurs de débit. En raison de leur faible consommation d'énergie, de leur haute précision, de leur temps de réponse court, de leur portabilité et de leur rentabilité, les capteurs de débit MEMS sont idéaux pour être utilisés dans les systèmes microfluidiques1.

Les capteurs de débit MEMS sont thermiques ou non thermiques. Les capteurs de flux thermique sont les dispositifs les plus disponibles dans le commerce pour les systèmes microfluidiques en raison de leur haute sensibilité3. Kim et al.8 ont déterminé le débit de liquide en chauffant et en détectant des électrodes pour mesurer la distribution thermique à l'intérieur du microcanal. Zhao et al.7 ont développé une micropuce de détection du temps de vol thermique reposant sur des excitations thermiques. En raison de la diffusivité thermique élevée, la perte de chaleur à travers les microcanaux peut être dangereuse pour des applications particulières, telles que les cellules vivantes, entraînant une mauvaise réponse du capteur9. Des capteurs de débit non thermiques sont également disponibles, notamment une mesure de débit basée sur les changements de conductivité d'un résonateur micro-ondes4, un capteur électrochimique mesurant les changements de conductivité ionique9, une vélocimétrie par image de microbulles utilisant des bulles de gaz comme traceur10, un débitmètre optofluidique utilisant des micro/nanofibres11, et un système de distribution de volume numérique fonctionnant en détectant électriquement la fréquence de génération de gouttelettes12.