Process development of electrode-based dielectrophoretic separators

Abstract

Die Trennung von Partikeln ist ein Feld mit etablierten und robusten Verfahren. Ziel dieser Arbeit ist es, den Werkzeugkasten der auf Dielektrophorese basierenden Trennapparate um zwei Instrumente zu erweitern. Der erste Ansatz, der in dieser Arbeit vorgestellt wird, nennt sich frequenzmodulierte dielektrophoretische Partikelchromatographie (DPC). Der Ansatz wurde in experimentellen und numerischen Untersuchungen getestet. Dabei konnten die verschiedenen möglichen Trajektorien in einem DPC-Aufbau beschrieben und vorhergesagt werden. Der mikrofluidische Aufbau verfügt über Elektroden am Boden des Kanals, welche eine chromatographische Trennung ermöglichen. Das Verfahren wurde mit einfach detektierbaren, fluoreszierenden Polystyrol-Mikropartikeln getestet, und es konnten eine größenselektive Trennung von u.A. 2 μm und 3 μm Partikeln und eine Trennung anhand der Oberflächenfunktionalisierung von 2 μm Partikeln gezeigt werden. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Erhöhung des Durchsatzes von DEP-Separatoren, welche Elektrodenarrays zur Manipulation von Partikeln verwenden. Hierbei wurde der Fokus auf die Beibehaltung der Selektivität gelegt. Es wurde ein Design auf Basis von speziell gefertigten, jedoch günstigen Leiterplatten (PCBs) entwickelt und zunächst mit Polystyrolpartikeln getestet. Die selektive Trennung einer Mischung aus 3 μm und 6 μm wurde bei einer Frequenz erreicht, die eine Trennung auf der Grundlage der unterschiedlichen Polarisierbarkeit der Partikel ermöglichte. Schlussendlich wurde der Aufbau mit leitfähigen Partikeln getestet. Gängige Elektrodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien wurden ausgewählt, um die Trennbarkeit technisch relevanter Partikel zu zeigen. Die Experimente lassen schlussfolgern, dass Graphit bei geeigneten Parametern nahezu vollständig gefangen wird, wohingegen Lithiumeisenphosphat zum Großteil den Kanal wieder verlässt.