Modelling and simulation of microfluidic chips for analytical aplications

Abstract

Lab-on-a-Chips (LOC) are microdevices that integrate one or several laboratory functions on a single chip of a few square centimeters. LOC provide a platform to conduct chemical and biochemical analysis in a wide variety of scientific areas. Numerical simulations of LOC are extremely useful at design and optimization stages. They can provide a more complete understanding of the fundamental physical and chemical process that occur in LOC. Also, numerical simulations are useful for the optimization of parameters for geometry and operation, minimizing the risk of wasting time and money in a flawed design. The main contribution of this thesis is the development and testing of a set of numerical tools that are aimed to improve the design and develop of LOC. The several physicochemical fields involved and the special considerations required due to the high aspect ratios between length scales involved, determine the complexity of modelling and the computational cost. Along this thesis different numerical modelling approaches are presented in order to show different options to deal with these problems. Several examples of numerical simulation for analytical processes in LOC are presented. Some of them are devoted to validate the mathematical model and the simulation tools developed. Other examples consist in simulations of different experimental analytical process performed in LOC that are aimed to illustrate the proficiency of the numerical model to simulate a wide variety of LOC analytical applications.

Los chips microfluídicos o laboratorios en un chip (LOC, de su sigla en inglés), son dispositivos que integran una o mas funciones de laboratorio en unos pocos centímetros cuadrados. Los LOC proveen una excelente plataforma para llevar a cabo análisis químicos y bioquímicos en una amplia gama de disciplinas. La simulación numérica de LOC resulta extremadamente útil en las etapas de diseño y optimización. Las simulaciones mejoran la comprensión de los fundamentos fisicoquímicos de los procesos que ocurren en los LOC, y por otra parte, permiten la optimización de parámetros de diseño tanto en lo que hace a parámetros geométricos como operativos, evitando desperdiciar recursos en fabricar o probar dispositivos no eficientes. El principal aporte de esta tesis es el desarrollo y testeo de un conjunto de herramientas numéricas destinadas al mejoramiento del diseño y desarrollo de LOC. La gran variedad de campos fisicoquímicos involucrados y las consideraciones especiales debido a la multiescala de los problemas, determinan la complejidad en el modelado y el costo computacional. A lo largo de este documento, se presentan diferentes modelos y aproximaciones numéricas a los fines de ilustrar diferentes enfoques para la solucion de estos problemas. Se presentan varias simulaciones numéricas de diferentes procesos analíticos llevados a cabo en LOC. Algunos de ellos están destinados a validar el modelo matemático y las herramientas numéricas desarrolladas. Otros ejemplos consisten en la simulación de diferentes dispositivos experimentales a los fines de ilustrar la capacidad del modelo numérico para la simulación de LOC que son utilizados actualmente.