Desarrollo de un sistema de transductores piezoeléctricospara mejorar la mezcla de líquidos

El creciente interés en  dispositivos microfluídico conduce a la necesidad de manipulación de líquidos en micro escala y mejorar el tiempo de reacción, que es intrínsecamente vinculado a un rápido y eficiente proceso de mezclado. Las micro placas de 96 pocillos  utilizados para análisis bioquímico, por lo general requieren mezcla líquidos antes del análisis, que generalmente se realiza por agitación mecánica. En este trabajo se desarrolló un sistema de accionamiento eléctrico basado en PZT piezoeléctrico (titanato zirconato de plomo) y PVDF (fluoruro de polivinilideno) los transductores, que van a estar bajo la micro placa, con el fin de generar y transmitir las ondas acústicas de los pozos. Un rápido y eficiente proceso de mezcla se logró y demostrado se pensaba en un enfoque cualitativo.

La mezcla eficiente de líquidos es un paso importante en muchos industriales, químicos, farmacéuticos y métodos, así como en las aplicaciones de la biotecnología [1,2].La mezcla de sonido, en escalas micro es una tarea difícil. Número de Reynolds es generalmente menor a 1 y, en consecuencia, difusión molecular se convierte en el principal mecanismo de mezcla, que hace que el proceso general lento [3]. Se han empleado diversas técnicas para aumentar la tasa de mezcla líquidos, que caen en una de dos categorías: activa o pasiva. Mientras que el primer enfoque se basa en geometrías complejas inherentes reactor para mejorar el proceso de mezcla que se realiza por difusión, ésta se basa en la utilización de fuerza externa para mejorar el proceso. Por otra parte, activa los mezcladores son generalmente sobre la base de micropumps y las micro válvulas, que pueden requerir complejos los procesos de fabricación, las cuales puede hacer que su integración en unDispositivo microfluídico caro y difícil [4,5], los oyentes pueden ser difíciles de reducir debido a las complejas topologías [6].En este contexto, el uso de la energía sonora, específicamente el ultrasonido, es de interés debido a varias ventajas, tales como: alta eficacia de la mezcla, manteniendo una baja producción y costos de mantenimiento, menor tiempo en comparación con otras técnicas y económicamente viables rendimiento [1].El interés en el uso de la energía sonora a esta aplicación en particular se deriva de sus efectos sobre la base de fluidos.

El fenómeno asociado, acústica por streaming, es capaz de favorecer la mezcla en las escalas pequeñas, debido a la absorción de las ondas acústicas, que resulta en una presión de la radiación en el líquido a lo largo de la dirección de la propagación y la atenuación acústica, lo que conduce al movimiento de los fluidos resultantes de una manera más eficiente y más rápido proceso de mezcla [3].La señal de ultrasonidos se genera a partir de transductores piezoeléctricos.En este documento se distinguen dos transductores piezoeléctricos bajo estudio de comparación del rendimiento: titanato zirconato de plomo  (PZT) y Fluoruro de polivinilideno (PVDF). PZT, es un elemento cerámico, conocido por su Excelente electro active properties piezoeléctric y alta respuesta.

Independientemente de su respuesta piezoeléctrica más débiles, PVDF es estudiado también gracias a su atractivo ventajas: buenas propiedades mecánicas y piezoeléctricos y baja impedancia acústica y mecánica, lo que es importante en la generación y propagación de ondas acústicas en los líquidos.El objetivo de este trabajo es el desarrollo de sistema de accionamiento eléctrico de transductores piezoeléctricos, que se sumarán a la base de una micro placa, con el fin de promover una más eficiente proceso de mezcla de los fluidos en la fracturación de pozos, a través de la transmisión de las ondas sonoras.

Sistema desarrollado y una prueba de conceptoComo un primer paso en este trabajo, una placa de circuitos impresos (PCB) fue preparado con el RF correspondiente(Radio Frecuencia) los conectores, y tanto los PZTs PVDF y transductores pegado a ella. Fig. 1 (A) muestra los cuatro PZTs y los cuatro PVDFs. Como se muestra en la Fig. 1 (B) las dimensiones de la junta fueron elegidos para un ajuste perfecto la micro placa.

a) b)Fig. 1. A) Placa de circuito impreso con las conexiones de los conectores RF y los materiales piezoeléctricos transductores PVDF y pegado a ella; b) Micro placas de 96 pocillos  colocado por encima del CIRCUITO IMPRESO.

La unidad de PZT, conducción eléctrica sistema fue utilizado, compuesto por dos componentes principales: el oscilador DE RF y RF PA (Amplificador de potencia). El oscilador se basa en una L-C topología, más precisamente unColpitts diseño, que oscila en la frecuencia de resonancia PZTs transductores, 376 kHz. La RF PA, que alimenta la ganancia necesaria para lograr el poder de la señal de accionamiento del captador piezoeléctrico, es el AD8021, que es un bajo nivel de ruido y amplificador de alta velocidad de procesamiento de la señal ultrasonido.Manejar los materiales piezoeléctricos, los transductores caracterización eléctrica se realizó y sus impedancias eléctricas se midió utilizando un vector network analyzer. Sobre la base de la obtenida Sparameters, el circuito eléctrico correspondiente fue diseñado, un paso necesario para una correcta conducción eléctrica de cada captador piezoeléctrico. En este artículo, sólo el trabajo experimental relacionado con el PZTs será discutido.La Smith trama y el S11 (db) trama de un transductor PZT antes y después de los eléctricos coincidentes se muestran en la Fig. 2.

a) b)

c)

d)

Fig. 2. Smith Parcela de los materiales piezoeléctricos en la esquina inferior derecha de la placa de circuito impreso (ver Fig1 (a): a) sin electricidad; (b) con eléctricos coincidentes. S11 (dB) parcela: (c) sin eléctricos coincidentes; (d) con eléctricos coincidentes. La flecha marca la frecuencia de resonancia de laTransductor PZT.

La prueba de concepto se realizó a través de un enfoque cualitativo por medio de una mezcla entre el agua y un color  reactivo, que tuvo lugar en la parte superior de la superficie del transductor.Fig. 3 Muestra el proceso de mezcla evolución con los materiales piezoeléctricos ENCENDIDO y APAGADO.

Fig. 3. Evaluación Experimental de la mezcla entre el agua y un agente colorante, cuando los fluidos se colocan en el material piezoeléctrico película. a la izquierda, acústica y agitación se utiliza las instantáneas están tomadas en: (1) antes de añadir el tinte; (2) inmediatamente después de agregar el colorante; (3)PZT, es excitado; (4) 6s después de encender el; (5) 9s; (6) 17s. A la derecha las imágenes acústicas no se utiliza y agitación del momento son los siguientes: (1) antes de añadir el tinte; (2) inmediatamente después de agregar el colorante; (3) 10s después de la adición; (4) 30s (5) 40s (6) 50s

3.  Mezcla de micro placas y debateLos micro pozos estaban separados de los 96 pozos de micro placas y se coloca justo encima de la superficie del transductor para la prueba de la mezcla. Una capa, que se basa en un gel de ultrasonidos, para aumentar la eficiencia de la transmisión de las ondas de ultrasonido para materiales piezoeléctricos los pozos se utiliza como un medio de acoplamiento, y la equiparación de las impedancias acústicas entre los materiales piezoeléctricos y los pozos. Una señal sinusoidal con 20 Vpp y 376 KHz producida por el  oscilador Colpitts fue conducido a los transductores. La reacción se inicia con un color amarillo, cambiando gradualmente de una naranja.

Esta reacción se realiza simultáneamente en dos pozos como se ve en la Fig. 4, solamente el bien de la izquierda fue sometido a agitación acústica. Los resultados muestran que el ultrasonido se puede utilizar para mejorar la velocidad de mezcla y eficiencia, utilizando transductores PZTs. La evaluación cuantitativa se está llevando a cabo, así como el estudio comparativo de PVDF

Fig. 4. Mezcla de Control de la orina (3 µl) + Creatinina R1 (50 µl ) + H2O (40 µl) + Creatinina R2 (50 μl), donde la izquierda transductorSe acciona y la de la derecha es mantenerse, a veces: (a) 0 s; (b) a 2 minutos; (c) 4 min; d) 6 min; (e) 8 minutos; (f) 10 minutos.

Referencias[1] Rokhina EV, Lente P, Virkutyte J. ultrasonido de baja frecuencia en el ámbito de la biotecnología: estado del arte. Las tendencias de la Biotecnología 2009; 27:298 -306.[2] Kwiatkowska B, Bennett J, Akunna J, Walker GM, Bremner  DH. Estimulación de los bioprocesos por ultrasonido.Avanza la Biotecnología 2011; 29:768 -780.[3] Catarino, Silva LR, Miranda J, Lanceros-Mendez S, Minas G, estudio experimental de transmisión acústica fenómeno generado por transductores piezoeléctricos. 15ª Conferencia Internacional sobre Mecánica Experimental 2012; Porto, Portugal[4] Mansur EA, Mingxing Y Yundong W, Youyuan D. A state-of-the-art review de la mezcla de Microfluídica Mezcladores Chino.Journal of Chemical Engineering 2008; 16:503[5]Nguyen N-T, Wu Z. micromezcladores - una revisión. Journal of Micromechanics and microengineering  2005; 15: R1-R16[6]Campbel CJ, Grzybowski BA. Microfluídica mezcladores: desde microfabricados que a dispositivos de montaje. Phil. Trans. R. Soc.Lond. UN2004; 362:1069