Sign up & Download
Sign in

Microfluidics and complex fluids.

by Ph Nghe, E Terriac, M Schneider, Z Z Li, M Cloitre, B Abecassis, P Tabeling
Lab on a Chip ()

Abstract

In this paper, we describe four experimental studies we carried out over the last four years in the MMN lab, regarding the dynamical behaviour of complex fluids in microfluidic systems. The topics are: (1) Polymer breakup in microfluidic systems. (2) Flows of polymer solutions in microchannels close to a smooth wall. (3) Shear banding flows in microchannels (rheology, instabilities). (4) Flows of concentrated solutions of microgel particles through microchannels. Depending on the situation, we exploit the duality low Reynolds numbers/high Weissenberg numbers (for instance, by working at high shear rates without generating turbulence), use visualization windows naturally offered by the microfluidic environment or take advantage of the integration of various functionalities on the chip. In all cases, new information, hardly accessible to non-miniaturized approaches, could be obtained by using microfluidic technology.

Cite this document (BETA)

Available from www.ncbi.nlm.nih.gov
Page 1
hidden

Microfluidics and complex fluids. -

MICROFLUIDICS OF COMPLEX FLUIDS DISSERTATION Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University By Kai Kang, M.S. ***** The Ohio State University 2003 Dissertation Committee: Professor Kurt W. Koelling, Adviser Professor L. James Lee, Adviser Professor Derek Hansford Approved by Adviser Department of Chemical Engineering
Page 2
hidden
ABSTRACT Microfluidics is very important in the world of BioMEMS, particularly for lab-on- a-chip devices. There are many unusual differences from conventional fluidics, such as the significance of surface forces, the high shear/extensional rate, the high heat transfer rate, the low Reynolds number, and the high Weissenberg number. In this study, aqueous solutions of high molecular-weight polymers, polyethylene oxide (PEO) and hydroxyethyl cellulose (HEC), as well as biomacromolecules, protein BSA and DNA fragments, have been chosen as the model materials for the complex fluids involved in BioMEMS applications. The presence of large molecules brings in different interfacial properties, hydrodynamic properties, and electrokinetic properties. This complexity, together with the traits of microdevices, may lead to phenomena like vortex formation, flow instability, wall slip, and solute degradation. Four research directions have been explored in this study, focusing on different microfluidic characteristics. First, the significance of surface forces in microfluidics was used to develop two microfluidic functions, capillary valving and capillary pumping. Different surface properties are preferred in different functions. Secondly, an on-chip capillary electrophoresis system was developed, benefiting from the high heat transfer rate in microchannels. DNA separation was realized in this novel system, rather than the common laser induced fluorescence (LIF) method. A resolution as high as 10bp is ii
Page 3
hidden
achievable with a polymer solution as the sieving material. The dynamic coupling mechanism works in polymer solutions, different from the separation mechanism in polymer gels. Thirdly, the characteristic of high shear rate was used to expand current rheological measurements to higher shear rates. With the careful evaluation of the end correction (Bagley correction) and wall slip correction, rheological data have been successfully derived for shear rates as high as 106 s-1. The polymer degradation was observed on PEO solutions as a result of the in-channel shear stress and the end flow. The degradation mechanism was explored. Lastly, the characteristics of high Weissenberg number and strong extensional flow at the entries triggered the study of end (entrance/exit) flow in microfluidics. Advanced flow visualization revealed the vortex enhancement and flow instability phenomena in some complex fluids. The correlation between these phenomena and the hydrodynamic properties or the chemical structures of polymers has been explored. iii
Page 4
hidden
This dissertation is dedicated to my dear parents, whose love and support have been with me throughout my life. iv
Page 5
hidden
ACKNOWLEDGMENTS I wish to thank my advisers, Dr. Koelling and Dr. Lee, for their intellectual support, encouragement, and enthusiasm, which made this dissertation possible. I also would like to thank Paul Green and Leigh Evrard for their technical support throughout the project. Gratitude is also expressed to my OSU colleges, especially Chee-Guan Koh, Ningning Ma, Hongbo Li, Siyi Lai, Xia Cao, and Yong Yang, for their advice and help. At last, I would like to thank my parents for their continuous support and encouragement. v
Page 6
hidden
VITA 1975������������������������������������������������Born ��� Anshan, P. R. China 1992 ��� 1997���������������������������������������B. S., Department of Chemical Engineering Tsinghua University 1997 ��� 2000���������������������������������������M. S., Department of Chemical Engineering The Ohio State University 2000 ��� present������������������������������������ Graduate Research Associate, Department of Chemical Engineering The Ohio State University FIELD OF STUDY Major Field: Chemical Engineering vi
Page 7
hidden
TABLE OF CONTENTS Page Dedication������������������������������������������������������������������������������������������iv Acknowledgement���������������������������������������������������������������������������������v Vita���������������������������������������������������������������������������������������������������vi List of Tables���������������������������������������������������������������������������������������.x List of Figures���������������������������������������������������������������������������������������xi Chapters: 1. Introduction ������������������������������������������������������������������������������������.1 1.1 Application of microdevices ���������������������������������������������������������������������������1 1.2 Fluidics in Microdevices ������������������������������������������������������������������������������...2 1.3 From classical fluidics to microfluidics ���������������������������������������������������������...6 1.4 From Microfluidics to Nanofluidics���������������������������������������������������������������...9 1.5 Multiphase flow ������������������������������������������������������������������������������������������10 2. Capillary based microfluidic functions ���������������������������������������������������...17 2.1 Introduction ������������������������������������������������������������������������������������������������17 2.1.1 Fabrication material of microdevices ���������������������������������������������������..17 2.1.2 Components of microdevices ���������������������������������������������������������������18 2.1.3 Surface modification ���������������������������������������������������������������������������.23 2.2 Material Selection ���������������������������������������������������������������������������������������.26 2.2.1 Solid phase ���������������������������������������������������������������������������������������...26 2.2.2 Liquid phase ���������������������������������������������������������������������������������������27 2.3 Pressure pumping microfluidics ������������������������������������������������������������������...29 2.4 Burst-off experiment ������������������������������������������������������������������������������������30 2.5 Capillary pumping ���������������������������������������������������������������������������������������34 2.6 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������40 3. DNA Electrophoresis in polymer solutions ������������������������������������������������.56 vii
Page 8
hidden
3.1 Introduction ������������������������������������������������������������������������������...56 3.1.1 Measurement technique ���������������������������������������������������������...57 3.1.2 Electroosmosis Flow (EOF) ������������������������������������������������������.60 3.1.3 Electrophoresis (EP) in DNA separation ���������������������������������������.60 3.1.3.1 Sieving material ������������������������������������������������������������..61 3.1.3.2 Mechanism ������������������������������������������������������������������..63 3.1.3.3 Mesh size determination ���������������������������������������������������.64 3.2 Equipment & procedure ������������������������������������������������������������������������������.66 3.2.1 Device Material ���������������������������������������������������������������������66 3.2.2 Device Design and Chip Operation ������������������������������������������������������..67 3.2.3 System Setup ������������������������������������������������������������������������������������...68 3.2.4 Experimental material ������������������������������������������������������������������������..69 3.3 Result and Analysis ������������������������������������������������������������������������������������70 3.3.1 Entanglement threshold ( *) determination ���������������������������������...71 3.3.2 Mesh size calculation ������������������������������������������������������������...72 3.3.3 DNA size ���������������������������������������������������������������������������.73 3.3.4 Compare the chain structure of the sieving solutions ������������������������..75 3.3.5 Compare the hydrodynamics properties of sieving solutions ..������������....76 3.4 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������77 4. High shear microfluidics and its application in rheological measurement ������������...98 4.1 Introduction ������������������������������������������������������������������...������������98 4.2 Experiments and analysis ���������������������������������������������������������������.���������...101 4.3 Discussion ������������������������������������������������������������������������������������������������109 4.4 Conclusion and recommendation ������������������������������������������������������117 5. Microfluidics at the entrances of microdevices ������������������������������������..������137 5.1 Introduction ���������������������������������������������������������������������������������������������.137 5.2 Experiment ...������������������������������������������������������������������������������������..������141 5.3 Results and discussion ������������������������������������������������������������������144 5.3.1 Flow visualization of viscoelastic material (PEO) ���������������������������������144 5.3.2 Effect of end angle on end pressure ���������������������������������������..���149 5.3.3 Effect of end angle on polymer degradation ���������������������������������..149 5.3.4 Results for viscous material (HEC) ������������������������������������������.. 150 viii
Page 9
hidden
5.3.5 Rheological Analysis ������������������������������������������������������������.151 5.3.6 End pressure at high shear flow ������������������������������������������������.156 5.4 Conclusion and recommendation ���������������������������������������������������������������..158 6 Conclusions and recommendations���������������������������������������������������������...185 6.1 Conclusions ������������������������������������������������������������������������������.185 6.2 Recommendations for further study ���������������������������������������������������188 6.2.1 The dynamic coupling mechanism in electrophoresis ���������������������...188 6.2.2 The degradation/denaturation effect of microchannels ..���������������������189 6.2.3 Flow field visualization ���������������������������������������������������������..190 6.2.4 Extensional rheology ������������������������������������������������������������������������..191 6.2.5 High shear rheology ������������������������������������������������������������...191 Bibliography���������������������������������������������������������������������������������������195 Appendices ���������������������������������������������������������������������������������������.203 Appendix A. Surface driven flow ���..���������������������������������������������������...203 Appendix B. Electroosmotic flow ������������.���...���������������������������������������.206 Appendix C. Basic concepts in molecular analysis ������������...���������������������..209 Appendix D. Working equations of the high shear rheometer .������������������������211 ix
Page 10
hidden
LIST OF TABLES Table Page 2.1 Solid phase surface properties ������������������������������������������������������������.43 2.2 Interfacial properties at 250C ������������������������������������������������������������...44 3.1 Electrical voltage applied ������������������������������������������������������������������.80 3.2 Molecular parameter of the sieving solutions ������������������������������������������..81 x
Page 11
hidden
LIST OF FIGURES Figure Page 1.1 Size spectrum (Stone and Kim, 2001) ���������������������������������������������������15 1.2 Experimental results from pressure pumping microfluidics ������������������������..16 2.1 Viscosity of PEO solution (Steady state shear rate sweep measurement) ���������...45 2.2 Viscosity of BSA solution ���������������������������������������������������������������...46 2.3 The mechanism of DCA ...������������������������������������.���������������������������..47 2.4 Use sessile drop method to measure liquid phase contact angle ���������������������48 (a) Original image (b) Image after treatment (c) Fit the drop contour 2.5 Pressure pumping experiment ������������������������������������.���.���������������������49 2.6 Centrifugal pumping in microfluidics ���������������������������.���.���������������������51 2.7 Capillary valve ������������������������������������.������������������������������������������52 2.8 Burst-off results ..���������������������������������.������������������������������������������53 2.9 Capillary driven flow ������������.���������������������.������������������������������������.54 2.10 Capillary driven flow results ...���������������������������.���������������������������������55 (a) Surface coated in PHEMA (b) Surface coated in PHEMA+PEG 3.1 Capillary flow in a fused silica capillary (Paul et al., 1998) ���������������������������82 (a) Pressure-driven flow (b) Electroosmosis flow 3.2 Chain entanglement in polymer solution ������������������������������������.������������83 3.3 Microchip design ������������������������������������.���������������������������������������84 3.4 Experimental set-up (a) Schematic drawing (b) Photograph ������������������������...85 3.5 Molecular structure (a) PEO (b) HEC ���������������������������������������������������.86 xi
Page 12
hidden
3.6 Photograph of DNA electrophoresis process ������������������������������..������������87 3.7 Electrophoresis results in 4M PEO solutions ���������������������������..���������������88 3.8 Electrophoresis results in 720k HEC solutions ������������������������..���������������.90 3.9 Entanglement threshold determination (a) 4M PEO (b) 720k HEC ������������������92 3.10 Intrinsic viscosity determination (a) 4M PEO (b) 720k HEC .������������������������.93 3.11 Mesh size comparison ������������������������������������.���������������.������������������94 3.12 Comparison the characteristic sizes of sieving solutions and DNA fragments ���...95 3.13 Viscosity comparison of sieving materials ���������������������������������������������..97 4.1 Experimental setup ������������������������������������.������������������������������������120 4.2 Steady shear viscosity measurement ���������������������������.������������������������.121 4.3 Schematic drawing of the microchannel ������������������������������������������������122 4.4 Entrance flow ������������������������������������.������������������������������������������123 4.5 End effect (a) Bagley correction, (b) End pressure ������������������������������������������.124 4.6 Experimental results ������������������������������������.���������������������������������..126 (a) Result without Bagley correction (b) Result after Bagley correction (viscosity vs. shear rate) (c) Result after Bagley correction (viscosity vs. shear stress) 4.7 Slip effect analysis based on experiments conducted on different diameter capillaries������������������������������������.���������������������������������������������..128 4.8 PEO degradation ������������������������������������.������������������������������������..129 4.9 Entanglement threshold measurement on 4M PEO ���������������������������������..130 xii 4.10 Concentration dependence of PEO degradation������������.���������������������������131 4.11 End effect on polymer degradation ������������������������������������.���������������...133
Page 13
hidden
4.12 Solvent viscous effect comparing two solvents, water and 65% glycerol ���������.134 (a) viscosity vs. shear rate (b) viscosity vs. shear stress 4.13 HEC microchannel flow result ������������������������������������.���������������������..135 4.14 End pressure comparison for different fluids ������������������������������������������.136 5.1 Vortex formation in the reservoir ������������������������������������������������������..163 5.2 Schematic of the experimental set-up ���������������������������������������������������164 5.3 Diagram of microchannel design ������������������������������������������������������...165 (a) microchannel with 360 ends (b) microchannel with 1800 ends 5.4 Shear induced normal stress comparison ���������������������������������������������...166 5.5 End pressure determination (Material: 1% 720k HEC solution) ������������������..167 5.6 Streak photograph of the entrance flows for 360 entrance and 1800 entrance ���...168 5.7 Streak photograph of the entrance flows ���vortex enhancement ������������������....169 5.8 Instable entrance flow (Material: 2%wt PEO Mv=4,000,000) ���������������������...171 5.9 Exit flow (Material: 2%wt PEO Mv=4,000,000) ���������������������������������������172 5.10 The geometric effect of the ends on end pressure ������������������������������������..173 5.11 The geometric effect of the ends on polymer degradation ���������������������������174 5.12 End pressure comparison between PEO and HEC solutions ������������������������.175 5.13 Schematic of the fiber spinline apparatus ���������������������������������������������..176 5.14 The first image of PEO spinline (a) photograph (b) curve tracing result ���������..177 5.15 The first image of HEC spinline (a) photograph (b) curve tracing result ���������..178 5.16 Spinline curve fitting (a) PEO (b) HEC ������������������������������������������������.179 5.17 Extensional stress from different sources (a) PEO (b) HEC ������������������������..180 xiii
Page 14
hidden
5.18 Extensional viscosity vs. extensional rate (a) PEO (b) HEC ������������������������.181 5.18��� Extensional stress vs. extensional strain������������������������������������.������������182 (a) PEO: avg = 4.5s-1 (b) HEC: avg = 21s-1 5.19 Extensional viscosity comparison between PEO and HEC. ������������������������..183 5.20 End pressure comparison for different fluids ������������������������������������������.184 (a) Pend / v2 versus Re# (b) Pend versus shear stress 6.1: Electrophoretic mobility ������������������������������������.������������������������������.193 6.2: Concentration shift ������������������������������������.������������������������������������.194 xiv
Page 15
hidden
CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 Application of microdevices The development in electrical circuit industry has triggered the design, fabrication and utilization of microdevices. The life science industry for pharmaceuticals and biomedicine is one of the first areas benefiting from the development in MEMS. Currently drug design, drug delivery, and diagnostics are all progressing at a fast pace. So are the applications in the biology field, such as gene sequencing, bio-separation, and sample screening. In addition, miniaturization of chemical analytic devices in ���micro- total-analysis-systems��� ( TAS) is a natural extension of MEMS technology to chemistry and biology. Just imagine that sample preparation, separation, detection, quantification, and read-out all can be integrated into one small chip-based device! This technique, also known as lab-on-a-chip, powers the high throughput screening and the portable analytical measurement devices. Scale-up by replication is also attractive to the production of fine chemical and pharmaceutical. The application scope of microdevices is very broad. The ink jet nozzle in printing industry and the airbag trigger in automotive industry are also successful examples of microdevices. 1

Readership Statistics

40 Readers on Mendeley
by Discipline
 
 
 
by Academic Status
 
33% Ph.D. Student
 
15% Post Doc
 
15% Researcher (at a non-Academic Institution)
by Country
 
33% United States
 
8% United Kingdom
 
5% Canada

Tags

Sign up today - FREE

Mendeley saves you time finding and organizing research. Learn more

  • All your research in one place
  • Add and import papers easily
  • Access it anywhere, anytime

Start using Mendeley in seconds!

Already have an account? Sign in