Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류

중력을 사용한 미세 유체 입자 분류

Microfluidics Particle Sorting Using Gravity

미세 유체 입자 분류는 진단, 화학적 및 생물학적 분석, 식품 및 화학 처리, 환경 평가에 적용됩니다. 이전 블로그에서 유체 역학을 사용한 미세 유체 입자 분류에 대해 이야기했습니다 . 같은 주제를 바탕으로 중력을 사용하여 미세 입자를 분류하는 또 다른 방법에 대해 논의하겠습니다. 아래 애니메이션에서 볼 수 있습니다.

유비쿼터스 중력(Ubiquitous gravity)은 미세 유체 장치에서 미세 입자를 분류하는 데 사용할 수 있습니다. 중력이 입자의 움직임에 수직으로 작용할 때 입자는 반경에 따른 속도로 안정됩니다. 또한 입자의 운동은 입자의 밀도, 유체의 밀도 및 유체의 점도 사이의 차이에서 비롯된 유체 역학적 효과의 영향을받습니다. 아래 이미지는 중력 분류 기술 회로도를 보여줍니다.

Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류
Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류

부력 대 항력

앞서 언급했듯이 중력은 서로 다른 입자가 서로 다른 속도로 침전되도록합니다. 모든 입자의 밀도가 같고 입자 밀도가 주변 유체의 밀도보다 낮 으면 부력 우세와 항력 우세라는 두 가지 유형의 분류를 사용할 수 있습니다. 반경이 더 큰 입자는 더 많은 부력을 경험하고 작은 입자 위의 경로를 따르는 경향이 있습니다. 그러나 외장 액체 (입자를 운반하는 용액)의 유입 속도가 충분히 높으면 항력 효과가 우세하기 시작하고 더 큰 입자가 더 작은 입자의 경로 아래로 이동하는 경향이 있습니다.

FLOW-3D 시뮬레이션 결과

경쟁하는 부력과 항력은 아래 FLOW-3D 에서 얻은 시뮬레이션 결과에서 명확하게 볼 수 있습니다 . 그림 1은 부력 지배적 인 입자 분류의 경우를 보여줍니다. 더 큰 (빨간색) 입자는 수평 채널의 상단을 향해 정렬됩니다. Fig. 2에 나타난 결과는 부력이 우세한 경우의 유입 초 속도를 20 배로 설정 한 후 얻은 것이다. 더 높은 입구 속도에서 더 큰 입자는 더 많은 운동량을 전달하므로 그 위치는 수직 부력의 영향을받지 않습니다. 따라서 입자는 수평 채널의 상단으로 올라가지 않습니다. 대신 그들은 계속해서 바닥으로 이동합니다.

부력

Buoyancy dominant sorting
Buoyancy dominant sorting

Drag

Figure 2. Drag dominant sorting
Figure 2. Drag dominant sorting

LOW-3D 의 입자 모델은입자 분류 또는 기타 입자 역학과 관련된 미세 유체 시뮬레이션에 성공적이고 쉽게 사용할 수 있습니다. 지금까지 우리는 FLOW-3D 의 입자 모델을사용하여 두 가지 입자 분류 기술을 보았습니다. 하나는 유체 역학을 사용하고 다른 하나는 중력을 사용합니다.

Particle sorting 3 (입자 분류)

음파를 이용한 입자 분류

  • 응용
    – 의료계에서 악성 세포 제거
    – 학술계에서의 나노 입자 분리
    – 산업계에서 희토류 원소의 채출
    – 환경 과학계에서 부유 물질의 격리
  • 장점
    – 라벨이 필요 없음
    – 침습성이 없음
    – 간단한 구성
    – 다른 온칩 유닛과 쉽게 통합
    – 높은 유량도 허용

FLOW-3D의 정재파를 이용한 자유 흐름

  • 탄성 막 모델을 사용
    – 탄성 막은 계산 영역의 하단에 배치됨
    – 막에 진동 운동을 설정
    – 정재파 발생시킴
  • 입자는 0.5 미크론 높이와 2mm 길이의 마이크로채널로 중심을 벗어남
    – 1Mhz의 정재파 주파수에서 입자는 중심에 집중됨

Particle sorting 2 (입자 분류)

항력/부력 및 중력 기반의 입자 분류

  • 중력이 입자 운동에 수직으로 작용할 때 분류
  • 분류 운동은 유체역학의 영향을 받음

부력 vs 항력

  • 부력에 지배되는 분류
    – 큰 입자는 더 많은 부력을 받으며 작은입자 위의 경로를 따르는 경향이 있음
  • 항력에 지배되는 분류
    – 입구 유체 속도가 높으면 항력 효과가 부력을 지배하여 큰 입자가 작은 입자의 경로 아래로 이동함

Particle sorting 1 (입자 분류)

  • 응용
    – 진단
    – 화학 및 생물학적 분석
    – 화학적 과정
    – 환경 평가
  • 능동적 분류에는 외부 전기장 또는 자기장이 필요함
  • 수동적 분류는 순수하게 유체역학, 입자 상호 작용 및 마이크로 채널 구조를 기반으로 함

유체역학을 기반으로 한 입자 분류

  • FLOW-3D 질량 입자 모델
    – 확산 계수, 항력 계수, 난류 슈미트 수 및 복원 계수와 같은 특성을 역학을 제어할 수 있음
    – 활성 입자 분류를 위해 열적, 자기적 및 전기적 특성으로 지정할 수 있음

일정 질량 vs 일정 크기

  • 일정 질량(다른 크기)
    – 직경이 큰 입자는 더 높은 항력을 받음
    – 유동으로 쉽게 합류
  • 일정 크기(다른 질량)
    – 강한 관성으로 인해 무거운 입자는 감속하기 어려움
    – 무거운 입자는 코스를 유지함