Un sensore microfluidico polimerico in sospensione per la misurazione della portata di liquidi in microcanali

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 2642 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, è stato progettato e realizzato un sensore di flusso a sbalzo microfluidico per monitorare la portata del liquido nell'intervallo 100-1000 µl/min. È stata inoltre eseguita la simulazione del sistema per determinare i parametri ottimali influenti e confrontare i risultati con i dati sperimentali. È stato costruito un flussometro come un cantilever curvo con dimensioni di 6,9 × 0,5 × 0,6 mm3 e un microcanale scolpito con un laser CO2 all'interno del raggio a sbalzo. La sostanza di fabbricazione era polidimetilsilossano. Sono state iniettate diverse portate utilizzando una pompa a siringa per testare le prestazioni del flussometro. Lo spostamento verticale del cantilever è stato misurato in ciascuna portata utilizzando un microscopio digitale. Secondo i risultati, la precisione complessiva del dispositivo su scala reale è stata fino a ± 1,39% e il tempo di risposta del sensore è stato misurato pari a 6,3 s. La sensibilità del microchip era di 0,126 µm/(μl/min) nell'intervallo delle portate misurate. Il sensore potrebbe anche essere utilizzato più volte con un valore di errore accettabile. I dati sperimentali ottenuti dal microchip costruito hanno avuto un andamento lineare (R2 = 0,995) ed erano di buona coerenza con i risultati della simulazione. Inoltre, secondo i dati sperimentali e di simulazione, la struttura a sbalzo inizialmente curva aveva un livello di flessione e sensibilità più elevato rispetto ad una struttura a sbalzo perfettamente diritta.

Negli ultimi decenni, la tecnologia microfluidica è stata ampiamente utilizzata in varie applicazioni. Grazie alla possibilità di utilizzare una piccola quantità di campione, questo tipo di sensore ha catturato l'interesse come dispositivo utile per eseguire operazioni, tra cui separazioni, reazioni o il rilevamento di vari oggetti, come materiali e particelle. Questa tecnologia è stata impiegata anche in applicazioni biomediche, ad esempio, somministrazione di farmaci, analisi di DNA/geni e diagnosi di malattie mediante lab-on-a-chip (LOC) o organo su chip, microreattori e micrototale sistemi di analisi (μTAS)1. Questa tecnologia si applica anche ai prodotti commerciali, inclusi test di gravidanza domiciliari, test rapidi per virus (ad esempio HIV, Herpes Simplex, COVID-19 ed epatite A, B e C) e rilevamento della glicemia2,3.

Un flusso di liquido stabile nel sistema microfluidico è fondamentale poiché le variazioni di flusso inducono direttamente il guasto del prodotto1,4,5, soprattutto in applicazioni quali lo smistamento e la separazione delle particelle, la citometria a flusso, la miscelazione del flusso, la sintesi chimica e la reazione a catena della polimerasi (PCR)6 . A questo scopo vengono spesso utilizzati il ​​misuratore di portata massico Coriolis e la pompa a siringa di precisione. Tuttavia, sono limitati dalle dimensioni ingombranti, dai costi elevati e dalla complessa connessione ai microchip7. Pertanto, i ricercatori hanno proposto sistemi microelettromeccanici (MEMS) come mezzo per miniaturizzare i sensori di flusso. Grazie al basso consumo energetico, all'elevata precisione, ai brevi tempi di risposta, alla portabilità e all'economicità, i sensori di flusso basati su MEMS sono ideali per essere utilizzati nei sistemi microfluidici1.

I sensori di flusso MEMS sono termici o non termici. I sensori di flusso termico sono i dispositivi più disponibili in commercio per l'uso nei sistemi microfluidici a causa della loro elevata sensibilità3. Kim et al.8 hanno determinato la portata del liquido riscaldando e rilevando gli elettrodi per misurare la distribuzione termica all'interno del microcanale. Zhao et al.7 hanno sviluppato un microchip termico per il rilevamento del tempo di volo basato sulle eccitazioni termiche. A causa dell'elevata diffusività termica, la perdita di calore attraverso i microcanali potrebbe essere pericolosa per applicazioni particolari, come le cellule viventi, causando una risposta impropria del sensore9. Sono disponibili anche sensori di flusso non termici, inclusa la misurazione della portata basata sui cambiamenti nella conduttività di un risonatore a microonde4, un sensore elettrochimico che misura i cambiamenti della conduttività ionica9, la velocimetria dell'immagine delle microbolle utilizzando bolle di gas come tracciante10, un flussometro optofluidico che utilizza micro/nanofibre11, e un sistema di erogazione del volume digitale che funziona rilevando elettricamente la frequenza di generazione delle goccioline12.