On the multiphysical phenomena in microfluidics governing the separation of microparticles by surface acoustic waves

Die Separation von Mikropartikeln ist ein integraler Bestandteil der Herstellung von Suspensionen mit definierter Zusammensetzung für hochqualitative Produkte in der Pharmakologie, Biowissenschaften und Verfahrenstechnik. Herkömmliche Separationsverfahren erreichen jedoch bei Partikeln im Größenbereich von 0,1 bis 10 µm ihre Grenzen. Dieser Größenbereich wurde durch Integration schräg gestellter stehender akustischer Oberflächenwellen (tasSAW) in mikrofluidische Systeme erschlossen, welche die akustische Strahlungskraft nutzen. Die erzielbare Reinheit wird jedoch von weiteren multiphysikalischen Phänomenen wie der akustisch angeregten Strömung oder Dielektrophorese beeinflusst. In dieser Dissertation wird (i) ein tiefes Verständnis des Zusammenspiels der multiphysikalischen Phänomene in tasSAW-basierten Systemen etabliert, (ii) der Einfluss zentraler Designparameter auf das Separationsergebnis untersucht und (iii) die Möglichkeit einer formspezifischen Separation von nicht-sphärischen Partikeln analysiert. Ein zentrales Ergebnis ist die Reduzierung der akustisch angeregten Strömung: Weit ausgedehnte Wirbel gehen in räumlich begrenzte periodische Strömungen mit geringerer Geschwindigkeit über, wenn die Kanalhöhe unter einen kritischen Wert gesenkt oder die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle erhöht wird. Auf Basis dieser Designrichtlinien wurde ein angepasstes System mit einer Kanaldecke aus Silizium und Seitenwänden aus Trockenfilmresist entwickelt. Dieses System ermöglicht eine reproduzierbare Anordnung von Partikeln in Höhenniveaus mit ähnlichem Kräfteverhältnis und steigert gleichzeitig die akustische Druckamplitude um den Faktor 3,9, was einen höheren Durchsatz erlaubt. Ein Laborprototyp bestätigt sowohl die Effektivität der abgeleiteten Designrichtlinien als auch eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Experimente. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Verhalten prolater Rotationsellipsoide auf komplementären Effekten des akustischen und dielektrophoretischen Drehmoments beruht. Mit dem angepassten Design ergibt sich eine Kraftdifferenz von etwa 19,3 % gegenüber einem sphärischen Partikel gleichen Volumens. Die Nutzung der formabhängigen akustischen Kraft erweitert das Potential zukünftiger tasSAW-basierten Systeme hin zu einer multidimensionalen Separation nach der Größe, dem akustischen Kontrastfaktor und der Form der Partikel.