Franz Pablo Carstens Álvarez - Transporte de microfluidos en papel

Autor: Franz Pablo Carstens Alvarez
Universidad Técnica de Darmstadt
Grado académico: meastría
Transporte de microfluidos en papel
Imagen 1: Canal de microfluidos
Los sistemas de microfluidos basados en papel representan un campo creciente dentro de la
investigación de transporte de fluidos. Desde sus inicios en 2007, proporcionan un novedoso
sistema para el manejo y el análisis de fluidos en diversas e importantes áreas de aplicación
para el ser humano. Entre ellas destacan diagnósticos de salud, monitoreo del medio ambiente
y pruebas en la calidad de alimentos. La razón por la cual el papel se ha convertido en un
substrato tan atractivo para la elaboración de sistemas de microfluidos, es por sus
características particulares de interés para el mercado. El papel tiene presencia universal y se
puede conseguir muy fácilmente y a un precio muy económico. Es compatible en aplicaciones
químicas, biológicas y médicas; y poseé la habilidad de transportar líquidos utilizando
únicamente fuerzas capilares, sin la necesidad de aplicar fuerzas externas.
Hoy en día es posible construir microcanales, en varias formas y dimensiones, que permiten
limitar, pero a su vez guiar y controlar el flujo del líquido de manera conveniente. Dichos
canales son fáciles de usar, baratos, desechables, reciclables y no es necesario contar con
equipo extra de ninguna índole.
El transporte de microfluidos en papel es accionado por las fuerzas capilares debido a los
poros y al caracter hidrofílico del papel. Sin embargo, el mecanismo de transporte aun no ha
sido entendido del todo. La gran variedad de fibras de celulosa, así como las diferentes
esctructuras de las mismas crean un sin fin de formas y tamaños tanto en la matriz como en
los poros.
La ecuación de “Lucas-Washburn” describe el flujo capilar en pequeños tubos cilíndricos
paralelos. Con este modelo se puede aproximar notablemente el comportamiento de
microfluidos en papel. No obstante, la estructura de la matriz y de los poros, así como los
parámetros considerados en esta ecuación, no se apegan del todo al flujo capilar en el papel.
Es por este motivo que esta investigación se centra en primera instancia en estudiar las
características físicas del papel para determinar qué parámetros afectan el comportamiento del
flujo capilar. Una vez obtenidos dichos parámetros, se podrá realizar un modelo eficiente para
describir y calcular de manera adecuada y eficiente el transporte de microfluidos en substratos
de papel.
En primera instancia se trabajó con tres diferentes clases de fibras: La primera es una mezcla
de fibras largas que consta de 50 % de pícea y 50 % de sulfato de pino. La segunda es
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celulosa de eucalipto y por último linters de algodón. Dichas clases de fibras fueron
seleccionadas por sus diferentes características físicas, que presentan en la elaboración del
papel. Entre ellas destacan el grado de molienda, el tamaño de las fibras y de los poros, así
como la masa por área.
Las fibras utilizadas fueron molidas con diferentes grados de molienda. Éstos se determinan
con la cantidad de energía específica aplicada para la molienda. Después de la trituración se
hacen las hojas de papel con ayuda de dos distintos aparatos especiales. Con ellos se puede
regular el peso por area del papel, al igual que la orientación de las fibras.
Altura en mm
Un método para determinar la capacidad de succión del papel es el principio de Klemm. Para
ello se cortan tiras de papel de dimensiones definidas, se cuelgan y en la parte inferior se les
añade un peso peso para que se mantengan erectas. Después se vierte una parte de la tira en
agua y se evalúa la altura en relación con el tiempo que avanza el fluido durante diez minutos.
Tiempo (raíz) en √s
Diagrama 1: Principio de Klemm – altura sobre tiempo
El diagrama 1 muestra los resultados del principio de Klemm para los linters de algodón para
diferentes niveles de energía específica aplicada en la molienda. Se puede apreciar que el
fluido avanza a mayor velocidad cuando el grado de molienda es menos. Con este método
también se pudo comprobar que la orientación y la clase de fibra influyen en el transporte del
fluido en papel. A manera que avanza el tiempo, hay un desplazamiento de la altura con
respecto al fit. Esto se debe en parte a la evaporación del agua durante el experimento, así
como a la reducción de los poros por el hincamiento de las fibras.
El estudio de la porosidad del papel se llevo a cabo con el método de porosimetría de
mercurio. El diagrama 2 muestra la porosidad de las hojas de papel hechas con las tres clases
de fibras de celulosa. Para que los datos entre las fibras sean significativos, se tomó el mismo
grado de moliendo para cada una de las fibras. El diagrama muestra la distribución del
volumen de los poros en relación con el diámetro de los mismos. Con este método se pudo
concluir lo siguiente: La porosidad de las hojas de papel isótropas y anisótropas se diferencía
escasamente. El tamaño de los poros varía con el tipo de fibra; fibras largas poseen una mayor
porosidad. Sin embargo el grado de molienda puede reducir el tamaño de los poros
considerablemente.
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Distribución del volumen de poros
Diámetro de poros en µm
Diagrama 2: Porosidad de distintas fibras de celulosa
Trayecto en mm
En el último paso de la investigación se hicieron unos canales especiales para microfluidos
(véase imagen 1). En ellos se virtió agua en un extremo y se midió el avance del mismo en
función al tiempo (raíz). Los resultados se presentan en el diagrama 3. Se puede ver que las
hojas de papel con menos masa por área presentan un desplazamiento más veloz que las hojas
más gruesas.
Tiempo (raíz) en √s
Diagrama 3: Canal de microfluidos – Trayecto sobre tiempo
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Tanto la evaluación del principio de Klemm, como el de los microcanales se adaptaron a la
ecuación de Lucas-Washburn [1]. Donde x(t) es la distancia del avance del fluido en función
al tiempo, r el radio capilar, σ la tensión superficial, θ el ángulo de contacto, η la viscosidad
dinámica y t el tiempo. Esta adaptación se hizo con el fin de poder comparar los resultados de
ambos modelos. El diagrama 4 exhibe algunos de los resultados obtenidos para ambos
modelos.
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Canal microfluidos
Pendiente en mm/√s
Principio de Klemm
Diagrama 4: Comparación canal de microfluidos con principio de Klemm
En este diagrama se puede observar que la velocidad de transporte de los canales es
comparable con el principio de Klemm, siempre y cuando se considere la pérdida de agua por
evaporación. Sin embargo la velocidad de succión de Klemm es mayor en todas las pruebas,
excepto con los linters de algodón con una masa por área de 23,5 g/m2.
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