The utilization of liquid/liquid two-phase flows in highly integrated
Lab-on-a-chip systems opens up fascinating perspectives for the
implementation of high-throughput applications with respect to sensitivity,
performance, and cost savings. Droplet-based assays, where each sample
droplet is created, processed, analyzed, and sorted individually, place
high demands on the underlying microfluidic platform. The transport
characteristics of droplet flows are subject to complex physical influences
that have to be considered during the design of individual operation units
right on to the complete microfluidic channel network. For this purpose, a
comprehensive understanding of the flow phenomena occurring in
droplet-based microfluidics is required, which is still incomplete
especially for isotropically etched micro channels. The goal of this work
is to lay the theoretical and metrological foundation that allows the
prediction of the transport characteristics. The basis is provided by an
extensive literature review that interdisciplinarily classifies the fluid
dynamical aspects and identifies relevant parameters. Methods for micro
flow diagnostics are adapted to the particular requirements of droplet
flows and the metrological prerequisites for their implementation are
developed. That way, by utilizing different complementing measurement
methods, a consistent multidimensional dataset is created that is
conforming with the theoretical predictions. Novel findings concerning the
droplet internal flow field are substantiated by CFD simulations. In
conclusion, an analytical transport model for two phase flows in
isotropically etched micro channels was developed that can be applied
successfully to all measurements. The developed methods and conclusions
obtained from the results can be transferred to similar problems.Die Nutzung von Flüssig-Flüssig-Zweiphasenströmungen für die
Realisierung tropfenbasierter hochintegrierter Lab-on-a-Chip-Systeme
eröffnet faszinierende Perspektiven für die Implementierung von
Hochdurchsatzanwendungen bezüglich Sensitivität, Durchsatz und
Kostenersparnis. Tropfenbasierte Assays, bei denen jeder Probentropfen
individuell erzeugt, prozessiert, analysiert und sortiert wird, stellen
hohe Anforderungen an die zugrundeliegende mikrofluidische Plattform. So
unterliegt das Transportverhalten von Tropfenströmungen komplexen
physikalischen Einflüssen, welche beim Design einzelner
Funktionsstrukturen bis hin zum gesamten mikrofluidischen Kanalnetzwerk
berücksichtigt werden müssen. Dazu ist ein umfassendes Verständnis der
in der tropfenbasierten Mikrofluidik auftretenden Strömungsphänomene
erforderlich, welches insbesondere für isotrop geätzte Vollkanäle bisher
nur lückenhaft existiert. Ziel dieser Arbeit ist es, die theoretischen und
messtechnischen Grundlagen zu legen, welche die Vorhersage des
Transportverhaltens ermöglichen. Als Basis dient zunächst ein
ausführliches Literaturstudium, welches fachgebietsübergreifend eine
Einordnung der einzelnen fluiddynamischen Aspekte vornimmt und die
relevanten Einflussfaktoren identifiziert. Verfahren der
Mikroströmungsdiagnostik werden an die besonderen Aspekte der
Tropfenströmung angepasst und die messtechnischen Voraussetzungen für
deren Anwendung geschaffen. Auf diese Weise entsteht durch die Nutzung
verschiedener sich komplementierender Messverfahren eine in sich
schlüssige multidimensionale Datenbasis, die sich mit den theoretischen
Vorhersagen deckt. Neuartige Aussagen über das tropfeninterne
Strömungsfeld werden zudem durch CFD-Simulationen untermauert. Vor diesem
Hintergrund gelingt abschließend die Erstellung eines analytischen
Transportmodells für Zweiphasenströmungen in isotrop geätzten
Mikrokanälen, das sich auf alle Messergebnisse erfolgreich anwenden
lässt. Die entwickelten Verfahren und die Folgerungen aus den Ergebnissen
lassen sich ohne Weiteres auf ähnliche Problemstellungen übertragen
