Published August 2023
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Dissertation
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Integrating Surface Acoustic Waves and Microfluidic Flows to Control Nanoparticles and Liquid Crystals
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Description
Microfluidic technologies have enabled precise manipulation of small volumes of fluids reducing sample consumption, enhancing reaction control, increasing throughput, and facilitating automation. Important challenges to be addressed include precise particle manipulation, separation of complex samples, and integration of functionalities. Achieving high-resolution manipulation, particularly for small-scale particles, demands advanced techniques and precise flow control challenging when dealing with multiple particle types or heterogeneous populations. Thus, efficient separation, sorting, and characterization of such samples is critical. In parallel, microfluidic solutions can integrate optical components with fluidic systems, enabling on-chip optical analysis, sensing and manipulation that leverage the interaction of light with fluids. Optofluidics technologies faces challenges in the alignment of optical components, integration of light sources and detectors, and the optimization of fluidic and optical interfaces. Here, liquid crystals offer benefits, enhancing their functionality and performance being highly tunable and reconfigurable structured materials.The integration of acoustic waves into microfluidic devices have been applied to address challenges in mixing, atomizing, droplet manipulation, and particle manipulation for Lab-on-a-chip applications with an emphasis on actuation of micro-objects, such as droplets, bacteria, red blood cells, cancer cells, exosomes, and extracellular vesicles. This technology offers a label-free, contactless filtration approach. However, the acoustofluidic filtration of nanoparticles has proven to be challenging and no reliable approach has put forth to separate nanoparticles from microparticles and smaller molecules in solution.
This dissertation explores the implementation of acoustic waves in microfluidic devices to engineer solutions in two emerging field in microfluidics: I) acoustofluidic nanoparticle purification; and II) optofluidic applications with liquid crystals.
From the interaction of waves with fluids emerge two distinct mechanisms that are commonly at odds: the acoustic radiation force and the acoustic streaming. In this work, a microfluidic platform that combines both mechanism driving the separation of 150-300 nm particles from micron-size particles and small molecules in solution is presented. This strategy shows differential separation of particles yielding 83% particle recovery and 75% reduction in concentration of solutes. The acoustic focusing and separation in microfluidic channels separates both polystyrene particles and extracellular vesicles from cell culture. Supporting numerical simulations identify asymmetries in the force fields acting on the particles arising from changes in wave amplitude as the mechanism driving particle displacement. Taken together, the findings presented here show a novel method of acoustofluidic purification towards continuous, high-throughput, and highly automatable point-of-care purification systems.
In addition, this work characterizes the effects of microfluidic flows and acoustic fields on the molecular orientation and optical response of nematic liquid crystals. After introducing acoustic waves in confinement, previously unknown structures are identified which are rationalized in terms of a state diagram as a function of the strengths of the flow and the acoustic field. The new structures are interpreted by relying on calculations with a free energy functional expressed in terms of the tensorial order parameter, using continuum theory simulations in the Landau-de Gennes framework. Taken together, the findings presented here offer promise for the development of new systems based on combinations of sound, flow, and confinement.
Other
Las tecnologías microfluídicas permiten la manipulación de pequeños volúmenes de fluidos. Existen desafíos importantes en la manipulación precisa de partículas, la separación de muestras complejas y la integración de funcionalidades en dispositivos para lograr alta resolución, especialmente en la manipulación de partículas a pequeña escala que requiere técnicas avanzadas y un control de flujo preciso. Por tanto, es esencial el desarrollo de procesos de separación, clasificación y caracterización eficientes. A su vez, las aplicaciones microfluídicas pueden combinar componentes ópticos con sistemas de flujo, permitiendo análisis, detección y la manipulación óptica aprovechando la interacción de la luz con los fluidos. Las tecnologías optofluídicas enfrentan desafíos importantes, y los cristales líquidos pueden mejorar la funcionalidad y el rendimiento siendo materiales estructurados altamente ajustables y reconfigurables.La integración de ondas acústicas se ha utilizado para abordar desafíos en la mezcla, atomización, manipulación de gotas y manipulación de partículas para aplicaciones industriales y de laboratorio incluyendo actuación de microobjetos como gotas, bacterias, glóbulos rojos, células cancerosas, exosomas y vesículas extracelulares. Esta tecnología ofrece filtración sin contacto que no requiere etiquetamiento. Sin embargo, la filtración acustofluídica de nanopartículas no ha sido exitosa y no se ha propuesto una estrategia confiable para separar tanto micropartículas como moléculas pequeñas de las nanopartículas en solución. Este trabajo explora la implementación de ondas acústicas en dispositivos microfluídicos para diseñar soluciones en dos campos emergentes en microfluídica: I) purificación acustofluídica de nanopartículas; y II) aplicaciones optofluídicas con cristales líquidos. De la interacción de las ondas con el fluido surgen dos mecanismos distintos que generalmente están en conflicto: la fuerza de radiación acústica y el flujo acústico. En este trabajo, se presenta una plataforma microfluídica que combina ambos mecanismos, impulsando la separación de partículas de 150-300 nm tanto de partículas de microparticulas como de moléculas pequeñas, logrando una separación con una recuperación del 83% y una reducción del 75% en la concentración de solutos. El método separa con éxito tanto de partículas de poliestireno como de vesículas extracelulares. Los resultados de simulaciones identifican asimetrías en los campos de fuerza actuando sobre las partículas como importantes mecanismos en el desplazamiento de nanopartículas. En conjunto, los hallazgos presentados aquí muestran un método novedoso de purificación acustofluídica. Adicionalmente, en este trabajo se investigan los efectos de los flujos microfluídicos y los campos acústicos en la orientación molecular de cristales líquidos nemáticos. Luego de introducir ondas acústicas en confinamiento, se identifican estructuras previamente desconocidas, que se racionalizan en términos de un diagrama de estados en función de la intensidad del flujo y del campo acústico. Las nuevas estructuras se interpretan mediante cálculos con una función de energía libre en términos del parámetro de orden tensorial, utilizando simulaciones en el marco de Landau-de Gennes. En conjunto, los hallazgos presentados aquí son prometedores para el desarrollo de nuevos sistemas basados en combinaciones de sonido, flujo y confinamiento.Files
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- Alternative title
- Integración de ondas acústicas de superficie y flujos microfluidicos para el control de nanopartículas y cristales líquidos
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- Other
- oai:uchicago.tind.io:7607