Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7172 

Ein Beitrag zu Modellierung und Simulation von elektrokinetischen Transportprozessen

in mikrofluidischen Einheiten

Dominik Peter Johannes Barz

Zusammenfassung
Mittels elektrokinetischer Effekte lassen sich vielf¨altige mikrofluidische Aufgaben, wie Pumpen und Mischen von Flüssigkeiten, oder die Analyse von Mischungen (partiell) geladener Teilchen, realisieren. Dazu werden zunächst die entsprechenden strömungsmechanischen, elektrischen und physikochemischen Phänomene identifiziert und mathematisch formuliert. Um übermäßigen numerischen Aufwand zu vermeiden, werden mittels asymptotischer Methoden Übergangsbedingungen für die Strömung und das elektrische Potential abgeleitet. Die Verwendung der Übergangsbedingungen ersetzt die numerische Simulation der nicht neutralen elektrischen Doppelschicht an den Kanalwänden. Zur Berücksichtigung chemischer Reaktionen wird ein Verfahren entwickelt, welches vom chemischen Massenwirkungsgesetz ausgeht. Um die Anwendbarkeit der Modelle zu demonstrieren, werden Beispiele zu einer Mikro-Elektrophorese-Einheit und zu einem Mikromischer simuliert. Zur Modellverifikation werden die Ergebnisse der Simulation zur Mikro–Elektrophorese–Einheit mit entsprechenden Experimenten verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment.

Contribution to the modelling and simulation of electrokinetic transport processes in microfluidic devices

Abstract
Various tasks within microfluidic applications, like pumping and mixing of liquids, or the analysis of mixtures (partially–) charged species, can be realized by electrokinetic effects. For that purpose, the appropriate fluid mechanical, electrical, and physicochemical phenomena have to be identified and mathematically formulated. To decrease the numerical costs, matching conditions for the flow and for the electrical potential are derived by means of asymptotic methods. The application of the matching conditions substitutes the numerical simulation of the non-neutral electrical double layer. A scheme based on the law of mass action allows for the consideration of chemical reactions. Several examples, as a micro–electrophoresis device and a micromixer, are simulated to demonstrate the applicability of the model. The simulations in the micro–electrophoresis device are compared against corresponding experiments. It turns out that the agreement between simulations and verification experiments is good.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK