Faculté des sciences

Design, microfabrication, and characterization of MHD pumps and their applications in NMR environments

Homsy, Alexandra ; De Rooij, Nicolaas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2006 ; 1911.

Precise control of small volumes of sample is of great interest in microfluidics and for developing portable, micro total analysis systems (μTAS). More specifically, low and precise flow rates are imperative for the manipulation of fluids within an on-chip nuclear magnetic resonance (NMR) system. NMR is a powerful and popular molecular analysis technique that takes place in high static magnetic... More

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    Résumé
    Contrôler les petits volumes avec une grande précision est d’une importance cruciale pour la microfluidique et le développement de "systèmes d’analyse intégrés" (μTAS). Dans le cas des puces microfluidiques intégrant l’analyse par résonnance magnétique nucléaire (RMN), un débit volumique faible et précis est même impératif. La RMN est une technique d’analyse chimique très précise et très populaire qui s’effectue dans un environnement à très fort champ magnétique (B0). Cette thèse vous présente une pompe à l’échelle microfluidique qui utilise la magnétohydrodynamique (MHD) pour manipuler les liquides dans un environnement RMN. Nous allons commencer par expliquer les phénomènes physiques se cachant derrière la magnétohydrodynamique. Ce phénomène a permis de développer une technique nouvelle permettant de bouger des espèces ioniques en présence à la fois de champs magnétiques et électriques. Les micropompes MHD contrôlent le flux à l’intérieur du système microfluidique en générant une différence de pression le long du microcanal, proportionnelle à l’intensité du courant électrique et au champ magnétique. Pomper des solutions électrolytiques avec la MHD implique la génération de courants électriques continus (DC) dans de tels environnements. Bien que peu de recherche ait été conduite à ce sujet, nos études préliminaires sur un éventail de géométries MHD très simples ont conduit à un design de micropompe MHD idéal pour le pompage en mode DC. Le débit volumique de la micropompe est proportionnel à la densité de courant et à la densité du flux magnétique. La micropompe génère une haute densité de courant DC à travers son canal principal grâce à un alignement de canaux subsidiaires (de chaque côté du canal principal) ne faisant que 100 nm de profond. La génération de bulles dans les canaux due à l’électrolyse a été évitée, les électrodes responsables du phénomènes étant placées dans des réservoirs extérieurs en connexion fluidique avec le système. En partenariat avec le groupe de design de microsystèmes (IMM - LMIS3) à l’EPFL, nous avons développé un système microfluidique compatible avec la détection RMN. Nous avons démontré qu’il était possible de déplacer avec précision des solutions électrolytiques à l’aide de la magnétohydrodynamique dans les environnements RMN. Le débit maximum généré par notre pompe MHD est de 1.5 μL.min−1 dans l’aimant supraconducteur RMN.
    Summary
    Precise control of small volumes of sample is of great interest in microfluidics and for developing portable, micro total analysis systems (μTAS). More specifically, low and precise flow rates are imperative for the manipulation of fluids within an on-chip nuclear magnetic resonance (NMR) system. NMR is a powerful and popular molecular analysis technique that takes place in high static magnetic field environments (B0). In this thesis, we present a microfluidics-based micropump using magnetohydrodynamics for the manipulation of fluids in an NMR environment. The physics behind the magnetohydrodynamics (MHD) phenomenon will be discussed first. MHD introduces a novel way to move ionic species in a microfluidic system combining both magnetic and electric fields. Next, the idea of an MHD-based micropump exploiting B0 to precisely control and manipulate fluids will be presented. Pumping electrolytic solutions with MHD involves the generation of an electric current in such environments. Although not much research has been done on MHD pumping of electrolytic solutions in microchannels, preliminary studies with simple MHD pump designs has led to an ideal microchannel geometry and DC MHD micropump. It is shown that MHD flow rate is directly proportional to both current density and magnetic field intensity. The micropump generates a high DC current density across the pumping channel with the help of an array of nanometer deep side-channels. Bubble generation in the channels due to water electrolysis was avoided by placing the electrodes in outer reservoirs in fluidic connection with the system. In partnership with the microsystems design group (IMM - LMIS3) at EPFL, we developed a chip-based microfluidic system compatible with NMR detection. We have been able to demonstrate that micropumping of electrolytes based on MHD was possible in NMR environments. The maximum flow rate generated by our MHD pump was 1.5 μL.min−1 in the NMR superconductive magnet.