Termoforesi in dispositivi microfluidici fabbricati mediante laser a femtosecondi

Thermophoresis is a mass transport phenomenon which is gaining attention for its possible application as a particle separation technique based on their dimensions and surface chemical properties. Recently many separation techniques have been implemented in microscopic devices known as lab-on-a-chips (LOCs). The name is due to their ability to integrate different laboratory tools' functions, and they allow to investigate, thanks to their small dimensions, microscopic systems with effects that would be invisible at a macroscopic scale. From these facts the project of performing thermophoresis experiments in a microfluidic device has been born. The devices, produced during this thesis work, have been fabricated using the Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching (FLICE) technique, that consists in irradiating a chip with focused pulsed femtosecond laser light to induce modifications into the substrate and selectively etching the irradiated path in a water-acid solution to dig a microchannel network. Two different device configurations have been proposed. The first version of the device presents three parallel channels: the two lateral channels contain flowing water at two different temperatures which induces a uniform thermal gradient in the central one. The central channel contains the sample on which the the thermophoretic effect acts. The concentration profile of the sample has been studied by means of the optical technique named Differential Dynamic Microscopy, which allows to calculate the sample concentration in the channel with particle sizes lower than the microscope resolution limit by analizyng the field scattered through them. Though several measurements have been performed with this device, it has shown some defetcs. After the analysis of these defects, a second device configuration has been proposed. The lateral channels have been replaced by two metal-filled reservoirs working as thermal contacts, to obtain a more precise control on the thermal gradient.

La termoforesi è un fenomeno di trasporto di particelle ad opera di un gradiente termico, che negli ultimi anni sta guadagnando attenzione per via della sua possibile applicazione come tecnica di separazione di particelle sulla base delle loro dimensioni e delle loro caratteristiche chimiche superficiali. Di recente diverse tecniche di separazione hanno visto un'implementazione all'interno di dispositivi microscopici detti Lab-On-Chip (LOC). Questo nome è dovuto al fatto che essi racchiudono al proprio interno le funzionalità di diversi strumenti di laboratorio e permettono, grazie alle loro dimensioni molto ridotte, di indagare efficientemente fenomeni microscopici. Per questi motivi è nata l'idea di effettuare esperimenti di termoforesi all'interno di un dispositivo microfluidico. I dispositivi realizzati durante questo lavoro di tesi sono stati fabbricati mediante la tecnica detta Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching (FLICE), che consiste nella creazione di modifiche permanenti all'interno di un chip di fused silica irraggiandolo con un laser impulsato a femtosecondi. Queste zone verranno poi erose selettivamente procedendo all'immersione del chip in una soluzione acida, creando una rete di microcanali. Durante questo lavoro di tesi sono stati realizzati dispositivi secondo due diverse configurazioni. La prima versione del dispositivo presenta tre canali paralleli, di cui i due laterali vengono utilizzati per far fluire acqua a due diverse temperature così da creare un gradiente termico uniforme in quello centrale. Questo contiene il campione che subisce l'effetto di trasporto dovuto alla termoforesi. Il profilo di concentrazione che si stabilisce al suo interno è stato studiato con una tecnica ottica detta Differential Dynamic Microscopy, che permette di ricavare la concentrazione di particelle di dimensioni inferiori al limite di risoluzione del microscopio ottico analizzando il campo scatterato attraverso il campione stesso. Nonostante sia stato possibile effettuare con successo diverse misure, il dispositivo ha mostrato alcune criticità. In seguito alla loro analisi, è stato proposto un secondo dispositivo con due reservoir riempiti di metallo che facciano da conduttori termici per sostituire i canali laterali del dispositivo precedente, per aumentare la precisione del gradiente termico applicato.