[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种一维（1D）圆柱形柱阵列，作为基于尺寸的确定性分离器，用于二元悬浮液，利用空间位阻和施力角度，使较大颗粒偏转，同时允许较小颗粒通过大于其尺寸的间隙渗透。该方法在临界转变角度附近实现高纯度分离，此时渗透概率随颗粒尺寸急剧增加，从而实现高效、抗阻塞的分级分离，无需膜过滤。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简单、确定性的微流控方法，用于连续基于尺寸分离二元颗粒混合物。
• 研究单个一维柱阵列是否能基于尺寸对颗粒进行分级，即使柱间距大于颗粒直径。
• 确定最大化二元混合物中分离纯度与效率的最佳施力角度。
• 证明在一维配置中，空间位阻效应可实现对较大颗粒的选择性偏转和对较小颗粒的渗透。
• 探索该方法在多组分分离中使用多个倾斜柱阵列的可扩展性。

提出的方法

• 使用SU8光刻技术在玻璃片上制备了一维圆柱形柱阵列（直径19.5 µm，中心间距40 µm）。
• 采用单分散的二氧化硅颗粒悬浮液（4.32 µm、10 µm、15 µm、20 µm）表征不同施力角度下的渗透概率。
• 在相对于柱列线的不同角度施加恒定外部力，并通过显微成像追踪颗粒轨迹。
• 将渗透分数（rp）定义为通过柱间间隙的颗粒比例，将偏转分数（rd = 1 - rp）定义为沿阵列偏转的颗粒比例。
• 识别出渗透概率急剧上升的临界转变角度，其值取决于颗粒尺寸。
• 在选定角度下测试二元混合物，通过轨迹可视化与颗粒行为的统计分析评估分离纯度与效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使柱间距大于颗粒，一维圆柱形柱阵列是否仍能基于颗粒尺寸对二元悬浮液进行分级？
• RQ2 相对于柱列线的施力角度如何影响不同尺寸颗粒的渗透或偏转？
• RQ3 渗透概率急剧上升的临界转变角度是什么？其如何随颗粒尺寸变化？
• RQ4 在临界转变角度下，二元混合物中可实现的分离纯度与效率水平如何？
• RQ5 阵列中柱的数量如何影响渗透阈值与分离分辨率？

主要发现

• 在单分散悬浮液中，随着施力角度增加，观察到从偏转模式到渗透模式的急剧转变，临界转变角度随颗粒尺寸增大而升高。
• 对于4.32 µm颗粒，临界转变角度约为18°，而15 µm颗粒约为24°，实现了基于尺寸的分离。
• 在较大颗粒的临界转变角度下，较小颗粒（如4.32 µm）的渗透分数接近100%（rp ≈ 1），而较大颗粒（15 µm）则完全被偏转（rp ≈ 0），表明实现了高纯度分离。
• 对于10 µm与20 µm的二元混合物，最佳分离发生在θ ≈ 23°附近，此时10 µm颗粒完全渗透，20 µm颗粒完全被偏转。
• 较小颗粒的渗透分数随柱数增加而提高，表明更长的阵列会将有效临界角度移至更低值。
• 与基于膜的过滤相比，该方法更不易发生阻塞，因为柱间距大于颗粒尺寸，且分离依赖于空间位阻与方向性施力，而非孔径排除。