[論文レビュー] One-dimensional linear array of cylindrical posts for size-based deterministic separation of binary suspensions

R. Devendra, Germán Drazer|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2014

Microfluidic and Bio-sensing Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、空間的反発と力の方向角を用いて、より大きな粒子を deflect させながら、より小さな粒子がそれより大きな間隙を通過できるようにすることで、サイズに基づく分離を実現する、1次元（1D）の円柱ポストアレイを提示する。この方法は、透過確率が粒子サイズとともに急激に増加する臨界遷移角近くで高純度の分離を達成し、膜ろ過を用いないにもかかわらず目詰まりに強く、効率的な分離が可能である。

ABSTRACT

We investigate the motion of suspended particles past a single line of equally spaced cylindrical posts that is slanted with respect to the driving force. We show that such a one-dimensional array of posts can fractionate particles according to their size, with small particles permeating through the line of posts but larger particles being deflected by the steric barrier created by the posts, even though the gaps between posts are larger than the particles. We perform characterization experiments driving monodisperse suspensions of particles of different size past the line of posts over the entire range of forcing orientations and present both the permeation probability through the individual gaps between the posts as well as the fraction of permeating particles through the one-dimensional array. In both cases, we observe a sharp transition from deflection to permeation mode that is a function of particle size, thus enabling separation. We then drive binary mixtures at selected orientations of the line of posts and demonstrate high purity and efficiency of separation.

研究の動機と目的

• バイナリーカラム混合物の連続的サイズベース分離のための単純で決定論的なマイクロ流体的手法を開発すること。
• 1つの1Dポストアレイが、ポスト間隔が粒子径を上回る場合でも、粒子のサイズに基づいて分離可能かどうかを調査すること。
• バイナリーカラム混合物において、分離純度と効率を最大化する最適な力の方向角を特定すること。
• 1D配置における空間的障壁効果が、より大きな粒子の選択的 deflect とより小さな粒子の透過を可能にすることを示すこと。
• 複数の傾斜角を持つポストアレイを用いた複数成分分離へのスケーラビリティを検討すること。

提案手法

• SU8フォトレジストを用いたフォトレジスト法により、ガラススライド上に直径19.5 µm、中心間隔40 µmの1次元の円柱ポストアレイを製造した。
• 透過確率を評価するために、モノ分散性シリカ粒子（4.32 µm、10 µm、15 µm、20 µm）のサスペンションを用い、さまざまな力の方向角での挙動を評価した。
• ポストラインに対して異なる角度で一定の外部力を加え、顕微鏡による粒子軌跡の追跡を実施した。
• 透過率（rp）をポスト間隙間を通過する粒子の割合として定義し、ポストに沿って deflect された粒子の割合（rd = 1 - rp）を定義した。
• 粒子サイズに応じて透過確率が急激に増加する臨界遷移角を特定した。
• 選択された角度でバイナリーカラム混合物を用い、分離純度と効率を評価した。軌跡の可視化と粒子挙動の統計的解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポスト間隔が粒子径を上回るにもかかわらず、1次元の円柱ポストアレイがバイナリーサスペンションを粒子サイズに基づいて分離可能か？
• RQ2 ポストラインに対する力の方向角が、異なるサイズの粒子の透過または deflect にどのように影響するか？
• RQ3 透過確率が急激に増加する臨界遷移角は何か？また、その値は粒子サイズにどのように依存するか？
• RQ4 臨界遷移角において、バイナリーカラム混合物で達成可能な分離純度と効率はどの程度か？
• RQ5 アレイ内のポスト数が透過閾値および分離分解能に与える影響は何か？

主な発見

• モノ分散性サスペンションにおいて、力の方向角が増加するに従い、deflect から透過への急激な遷移が観察された。臨界遷移角は粒子サイズに応じて増加した。
• 4.32 µm 粒子では臨界遷移角は約18°、15 µm 粒子では約24°であった。これによりサイズベース分離が可能となった。
• より大きな粒子の臨界遷移角において、より小さな粒子（例：4.32 µm）はほぼ100％透過（rp ≈ 1）を示し、より大きな粒子（15 µm）は完全に deflect された（rp ≈ 0）ことから、高純度分離が達成された。
• 10 µm と 20 µm のバイナリーカラム混合物において、最適な分離は θ ≈ 23° 付近で達成され、10 µm 粒子は完全に透過、20 µm 粒子は完全に deflect された。
• より小さな粒子の透過率はポスト数の増加に伴い上昇し、より長いアレイでは有効な臨界角度が低くなる傾向があることが示唆された。
• ポスト間隔が粒子サイズを上回るため、膜ろ過と比較して目詰まりのリスクが低く、分離は空間的反発と方向性の力に依存するため、孔径による除外ではなく、粒子サイズに基づく選択的分離が可能である。