Caracterización experimental y numérica de flujos electro cinéticos para el mezclado de flujo por inestabilidad electrocinética (EKI) y detección de partículas por isotacoforesis (ITP)
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Date
2022
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Abstract
La tecnología de los procesos de análisis y detección químicos y bioquímicos se está impulsando diariamente hacia la micro y nano escala, motivada principalmente para obtener resultados más rápidos y con el menor costo posible, para un proceso de diagnóstico más eficiente. El flujo electro - osmótico con efectos electrocinéticos es el método principal de manipulación de fluidos en dispositivos de análisis a microescala (laboratorio en un chip). Estos dispositivos microelectrocinéticos logran una funcionalidad innovadora mediante la aplicación de campos eléctricos externos en diversas aplicaciones de microfluidos, como inyección, separación, mezcla, análisis químico y bioquímico y detección de muestras. Este proyecto de tesis se centra en el estudio y caracterización de dos fenómenos electrocinéticos, la inestabilidad del flujo electrocinético (EKI) y el flujo de isotacoforesis (ITP), con aplicación a microescala. En el estudio se resolvió un conjunto de ecuaciones de leyes de conservación que incluyen: especies, momento y conservación de la corriente eléctrica. Debido a la naturaleza altamente no lineal de los problemas de ITP y EKI, el conjunto de ecuaciones completamente acopladas se resolvió bajo el esquema de discretización de elementos finitos de alto orden en un dominio computacional bidimensional para comprender mejor el mecanismo primario y el comportamiento de la electrocinética. Adicionalmente, se estudiaron y caracterizaron experimentalmente los fenómenos electrocinéticos para validar el modelo numérico y describir las propiedades fundamentales del fenómeno, como la viscosidad, el potencial zeta y la movilidad electroforética de la especie. Los resultados y aportes más destacados de este estudio son: se ha podido desarrollar y validar empleando resultados experimentales y numéricos el número gamma (γ), como parámetro para predecir la ocurrencia del EKI. Y en base a este número, fue posible diseñar un micro – mezclador, optimizando
el proceso de mezclado obteniendo una mezcla que alcanza el 76% de homogeneidad en tan solo 5 segundos. Por otro lado, fue posible diseñar y simular un método para separar y detectar nanopartículas de TiO2 utilizando un microcanal. Cuyo tiempo de respuesta es cercano a los 3 minutos, lo que significa una reducción del 20% en los procesos de separación capilar. Finalmente, como propuesta de investigación futura, se pretende ampliar una nueva línea de investigación basada en los resultados de la investigación actual para desarrollar un micro dispositivo para la detección de otro tipo de partículas metálicas o no metálicas.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2022
Keywords
Inestabilidad de flujo electrocinético, Isotacoforesis, Micro canal, Lab on a-chip, Potencial Zeta