Sistemi micro-optofluidici integrati per il rilevamento e controllo del flusso bifase

Microfluidics is the science of controlling and manipulating fluids that are geometrically constricted into networks of small channels on the order of micrometers. The objective of the research was double. From one side, to design and fabricate using low-cost technologies, micro-optofluidic (MoF) devices, capable to replicate and miniaturize standard equipment used for biological and chemical analysis on samples. On the other side, to define methods and implement platforms for the real-time detection and control of two-phase microfluidic processes suitable for the integration with the MoF devices for a system-on-chip realization. The two-phase microfluidic processes were obtained by flowing two immiscible fluids in a slug regime or suspended particles/cells into a fluid within a micro-channel, and optical techniques were used to monitor, detect and control the behavior of these processes in an area inside the micro-channel. The optical technologies have been chosen to be noninvasive, offering the advantages of real-time data acquisition and being versatile for micro-optical components miniaturization. Initially, technological aspects for the design and fabrication of MoF devices were addressed by proposing four different designs of MoF devices and using two 3D-printing-based fabrication techniques. Then, these MoF devices were used to define methodologies and implement real-time platforms for the detection and control of two-phase flow in micro-channels. These aspects were faced in Part I and Part II of this thesis considering slug flows and particle suspensions, respectively. The devices realized and the methodologies developed were used to realize two integrated systems, one for the real-time control of the slug flow and the other for the real-time detection of the micro-particle velocity. Different wide experimental campaigns were carried out to characterize the MoF devices realized, to validate the methodologies developed, and to test the platforms implemented and the integrated systems realized.

La microfluidica è la scienza che controlla e manipola i fluidi che sono geometricamente costretti in reti di piccoli canali dell'ordine dei micrometri. L'obiettivo della ricerca era duplice. Da un lato, progettare e realizzare, con tecnologie a basso costo, dispositivi micro-optofluidici (MoF), in grado di replicare e miniaturizzare le apparecchiature standard utilizzate per le analisi biologiche e chimiche sui campioni. Dall'altro lato, definire metodi e implementare piattaforme per il rilevamento e il controllo in tempo reale di processi microfluidici bifasici adatti all'integrazione con i dispositivi MoF per la realizzazione di un system-on-chip. I processi microfluidici bifase sono stati ottenuti facendo fluire due fluidi immiscibili in regime di slug o particelle/cellule sospese in un fluido all'interno di un microcanale, e le tecniche ottiche sono state utilizzate per monitorare, rilevare e controllare il comportamento di questi processi in un'area interna al microcanale. Le tecnologie ottiche sono state scelte per essere non invasive, offrire i vantaggi dell'acquisizione dei dati in tempo reale ed essere versatili per la miniaturizzazione dei componenti micro-ottici. Inizialmente, sono stati affrontati gli aspetti tecnologici per la progettazione e la fabbricazione dei dispositivi MoF, proponendo quattro diversi progetti di dispositivi MoF e utilizzando due tecniche di fabbricazione basate sulla stampa 3D. Successivamente, questi dispositivi MoF sono stati utilizzati per definire metodologie e implementare piattaforme in tempo reale per il rilevamento e il controllo del flusso bifase in microcanali. Questi aspetti sono stati affrontati nella Parte I e nella Parte II di questa tesi, considerando rispettivamente flussi slug e sospensioni di particelle. I dispositivi realizzati e le metodologie sviluppate sono stati utilizzati per realizzare due sistemi integrati, uno per il controllo in tempo reale del flusso slug e l'altro per il rilevamento in tempo reale della velocità delle microparticelle. Sono state condotte diverse campagne sperimentali di ampio respiro per caratterizzare i dispositivi MoF realizzati, per validare le metodologie sviluppate e per testare le piattaforme implementate e i sistemi integrati realizzati.