Um sensor microfluídico polimérico suspenso para medição de vazão de líquido em microcanais

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 2642 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, um sensor de fluxo cantilever microfluídico foi projetado e fabricado para monitorar a vazão de líquido na faixa de 100–1000 µl/min. A simulação do sistema também foi realizada para determinar os parâmetros ótimos influentes e comparar os resultados com dados experimentais. Um medidor de vazão foi construído como um cantilever curvo com dimensões de 6,9 ​​× 0,5 × 0,6 mm3 e um microcanal esculpido com um laser de CO2 dentro do feixe cantilever. A substância de fabricação foi o polidimetilsiloxano. Diferentes taxas de fluxo foram injetadas usando uma bomba de seringa para testar o desempenho do medidor de vazão. O deslocamento vertical do cantilever foi medido em cada vazão usando um microscópio digital. De acordo com os resultados, a precisão geral do dispositivo em escala real foi de até ± 1,39% e o tempo de resposta do sensor foi medido em 6,3 s. A sensibilidade do microchip foi de 0,126 µm/(µl/min) na faixa de vazões medidas. O sensor também pode ser utilizado múltiplas vezes com um valor de erro aceitável. Os dados experimentais obtidos pelo microchip construído apresentaram tendência linear (R2 = 0,995) e apresentaram boa consistência com os resultados da simulação. Além disso, de acordo com os dados experimentais e de simulação, a estrutura cantilever inicialmente curva apresentou um nível de flexão e sensibilidade mais elevado do que uma construção cantilever perfeitamente reta.

Nas últimas décadas, a tecnologia microfluídica tem sido amplamente utilizada em diversas aplicações. Graças à possibilidade de utilizar uma pequena quantidade de amostra, este tipo de sensor tem despertado interesse como um dispositivo útil para realizar operações, incluindo separações, reações ou detecção de diversos objetos, como materiais e partículas. Esta tecnologia também tem sido empregada em aplicações biomédicas, por exemplo, distribuição de medicamentos, análise de DNA/gene e diagnóstico de doenças por laboratório em um chip (LOC), ou órgão em um chip, microrreatores e microrreatores totais. sistemas de análise (µTAS)1. Esta tecnologia também se aplica a produtos comerciais, incluindo testes de gravidez caseiros, testes rápidos de vírus (por exemplo, HIV; Herpes Simplex; COVID-19; e Hepatite A, B e C) e detecção de glicose no sangue2,3.

Um fluxo líquido estável no sistema microfluídico é crucial, uma vez que variações de fluxo induzem diretamente a falha do produto1,4,5, especialmente em aplicações como classificação e separação de partículas, citometria de fluxo, mistura de fluxo, síntese química e reação em cadeia da polimerase (PCR)6 . O medidor de vazão mássica Coriolis e a bomba de seringa de precisão são frequentemente usados ​​para essa finalidade. No entanto, eles são limitados pelo tamanho, alto custo e conexão complexa a microchips7. Assim, sistemas microeletromecânicos (MEMS) têm sido propostos por pesquisadores como um meio de miniaturizar sensores de fluxo. Devido ao seu baixo consumo de energia, alta precisão, curto tempo de resposta, portabilidade e economia, os sensores de fluxo baseados em MEMS são ideais para uso em sistemas microfluídicos1.

Os sensores de fluxo MEMS são térmicos ou não térmicos. Sensores de fluxo térmico são os dispositivos mais disponíveis comercialmente para uso em sistemas microfluídicos devido à sua alta sensibilidade3. Kim et al.8 determinaram a vazão do líquido aquecendo e detectando eletrodos para medir a distribuição térmica dentro do microcanal. Zhao et al.7 desenvolveram um microchip de detecção térmica de tempo de voo baseado em excitações térmicas. Devido à alta difusividade térmica, a perda de calor através dos microcanais pode ser perigosa para aplicações específicas, como células vivas, fazendo com que o sensor responda inadequadamente9. Sensores de fluxo não térmicos também estão disponíveis, incluindo medição de vazão com base em mudanças na condutividade de um ressonador de micro-ondas4, um sensor eletroquímico que mede mudanças de condutividade iônica9, velocimetria de imagem de microbolhas usando bolhas de gás como traçador10, um medidor de vazão optofluídico usando micro/nanofibras11, e um sistema digital de distribuição de volume que funciona detectando eletricamente a frequência de geração de gotas12.