SAW-Aktuation in mikrofluidischen Kanälen zum Pumpen, Sortieren und Herstellen von Mikroemulsionen

Die Mikrofluidik hat in den letzten zwanzig Jahren zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten erschlossen, so beispielsweise die Synthese von Nanopartikeln oder High Throughput Screening von biologischen Proben wie Zellen oder DNA. Für viele dieser Anwendungen ist es wichtig, die Probenflüssigkeiten in Mikrokanälen schnell und gezielt manipulieren und pumpen zu können. In dieser Arbeit zeige ich die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von akustischen Oberflächenwellen (SAW) als Aktuationsmechanismus in der Mikrofluidik. Akustische Oberflächenwellen werden mit Hilfe von piezoelektrischen Transducern erzeugt und erlauben eine elektrische Ansteuerung. Werden sie in einem mikrofluidischen Kanal eingekoppelt, erzeugen sie eine lokal begrenzte Kraft auf die Flüssigkeit und ermöglichen so die gezielte und schnelle Steuerung von mikrofluidischen Strömungen. Ich entwickle drei Anwendungen für diese Technik: Zunächst stelle ich eine mikrofluidische Flusskammer vor, die eine Probenflüssigkeit entlang eines geschlossenen Kreislaufs pumpt. Auf diese Weise lässt sich ein Probenvolumen von nur 30 μl mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 mm/s pumpen, bei einem Pumpendruck bis zu 4,8 Pa. Die Flussrate lässt sich mit einer Einschwingzeit von nur 15,5 ms ein- bzw. abschalten und ermöglicht auch die Realisierung pulsierender Flüsse. Die Methode eignet sich außerdem zur Aktuation von Suspensionen biologischen Materials, wie anhand einer Blutprobe demonstriert wird. Eine weitere im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Anwendung ist ein fluoreszenzgesteuerter mikrofluidischer Sortierer für Zellsuspensionen und Mikroemulsionstropfen. Zunächst wird im Vergleich von Flussfeldmessungen und Finite-Elemente-Simulationen der Wirkmechanismus des Sortierers aufgezeigt. Daraufhin wird die Verwendung des Sortierers für einzelne biologische Zellen sowie Mikroemulsionstropfen demonstriert, bei Sortierraten von bis zu 3000 Tropfen pro Sekunde. Schließlich wird gezeigt, dass sich akustische Oberflächenwellen auch eignen, um die Tropfengrößen von Mikroemulsionen zu modulieren. Ich entwickle einen SAW-gesteuerten Tropfengenerator, der nicht nur eine schnelle Anpassung der Tropfengröße, sondern auch eine Echtzeit-Steuerung des Abschnürens von Tropfen, sowie die Herstellung von binären Mikroemulsionstropfen ermöglicht