[論文レビュー] Manipulation of Spherical Droplets on a Liquid Platform Using Thermal Gradients

Ehsan Yakhshi-Tafti, Hyoung J. Cho+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2010

Electrowetting and Microfluidic Technologies参考文献 12被引用数 30

ひとこと要約

本論文では、シリコン基板上に埋め込まれたチタンマイクロヒーターを用いて、液体プラットフォーム上での球状液滴の操作を目的とした熱勾配ベースの手法を提案している。空間的・時間的熱マップを生成することで、熱的負荷を最小限に抑えつつ、ピン留めや蒸発といった固体基板で一般的に見られる問題を回避し、予め定義された経路に沿って高速かつ信頼性の高い液滴の移動を実現した。この手法により、ラボオンチップアプリケーションにおいて、優れた性能を示す高速で制御可能な運動が可能になった。

ABSTRACT

In the recent years, there has been a growing interest in droplet-based (digital) microfluidics for which, reliable means of droplet manipulation are required. In this study we demonstrate thermal actuation of droplets on liquid platforms, which is ideal for biochemical microsystems and lab-on-chip applications because droplets can be transported with high speed, good control and minimal thermal loading as compared to using conventional solid substrates. In addition, other disadvantages of using solid surfaces such as evaporation, contamination, pinning, hysteresis and irreversibility of droplet motion are avoided. Based on the theoretical development and measurements, a silicon-based droplet transportation platform was developed with embedded Titanium micro heaters. A shallow liquid pool of inert liquid (FC-43) served as the carrier liquid. Heaters were interfaced with control electronics and driven through a computer graphical user interface. By creating appropriate spatio-temporal thermal gradient maps, transport of droplets on predetermined pathways was successfully demonstrated with high level of robustness, speed and reliability. The video shows normal imaging of droplet manipulation accompanied by the corresponding infrared thermal imaging showing the spatio-temporal temperature maps and the outline of the drop as it moves towards hot spots.

研究の動機と目的

• 固体基板に起因する制限を克服する液滴操作プラットフォームの開発を目的とする。
• 固体表面系で一般的に見られる液滴のピン留め、蒸発、汚染を最小限に抑え、熱的負荷を低減することを目的とする。
• 液体キャリア上での熱勾配を用いて、高速で制御可能かつ可逆的な液滴輸送を実現することを目的とする。
• リアルタイムでの熱制御を用いて、ユーザー定義の経路に沿った、堅牢でプログラマブルな液滴運動を実証することを目的とする。
• 可視光および赤外線熱画像の併用による液滴ダイナミクスの評価を通じて、プラットフォームの性能を検証することを目的とする。

提案手法

• 精密な熱駆動を実現するため、チタンマイクロヒーターを統合したシリコンベースのプラットフォームを製作した。
• 不活性なFC-43液体による浅いプールをキャリア媒体として用い、基板との接触なしに液滴の移動性を実現した。
• コンピュータインターフェースを介したグラフィカルユーザーインターフェースを用いて、ヒーター アレイの制御により熱勾配を生成した。
• 空間的・時間的熱マップを動的に調整することで、液滴をホットスポットへ誘導した。
• 可視光および赤外線熱画像の同期監視により、温度分布と液滴の軌道の相関関係を分析した。
• ユーザー定義の経路に沿った液滴輸送を、高い再現性で閉ループ制御可能であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体プラットフォーム上での熱勾配は、基板に起因するアーティファクトを回避し、信頼性の高い高速液滴輸送を可能にするか？
• RQ2 固体-液体接触が存在しない場合、マイクロ流体系における液滴のピン留め、蒸発、汚染にどのような影響を与えるか？
• RQ3 熱駆動は、液体キャリア上での正確でプログラマブルかつ可逆的な液滴運動をどの程度達成できるか？
• RQ4 空間的・時間的熱勾配パターンと液滴軌道制御の関係は何か？
• RQ5 ラボオンチップアプリケーションにおいて、本システムの耐久性、速度、熱的効率の観点での性能はいかがなものか？

主な発見

• 動的制御された熱勾配を用いて、高信頼性かつ再現性の高い精度で、事前に定義された経路に沿った液滴の輸送に成功した。
• 液体プラットフォームの熱的バッファ効果のおかげで、顕著な熱的負荷が生じず、高速な液滴運動が実現した。
• 液滴が固体表面に接触しない液体キャリア上に浮遊するため、蒸発、ピン留め、汚染が効果的に排除された。
• 赤外線熱画像では、液滴の移動がホットスポットの位置と正確に一致することが確認され、リアルタイム制御の妥当性が裏付けられた。
• 多数の試行において、プラットフォームは堅牢な性能を示し、デジタルマイクロフルイディクスおよびラボオンチップシステムへの統合に適していることが示された。
• 液体プラットフォームの採用により、固体表面での液滴操作で一般的に見られるヒステリシスや不可逆性の問題が顕著に低減された。