Leveraging Surface Tension and Capillary Flow: Design Optimization for Exhaled Breath Condensate Transport in Inflammacheck Breathalyzers
Abstract
I denne masteroppgaven brukes en utforskende metode for å adressere utfordringen med å samle og transportere kondensert pust (EBC) effektivt i Inflammacheck®pust-analysatoren. Denne enheten, som er utviklet av Zimmer og Peacock, benyttes tilnoninvasiv overvåking av luftveisforhold gjennom analyse av EBC. I starten avoppgaven gjennomgås ulike krefter og fenomener for å finne hensiktsmessige mekanismerfor oppbevaring og frigjøring av væske. Gjennom denne prosessen blir det tydelig at deter kritisk å forstå balansen mellom gravitasjon og overflatespenning, og oppgavenkonsentrerer seg om hvordan geometriske parametere og materialeegenskaper påvirkerdisse kreftene.
Et ”Timeglass-konsept” er skapt med dette fokuset, som drar nytte av kapillærkrefteri kanaler med både innsnevrende og utvidende geometri. Gjennom teoretiske modeller,numeriske simuleringer og praktiske forsøk, oppnås en grunnleggende forståelse av hvordankontaktvinkler, kanalgeometri og kanalens overflateeegenskaper spiller sammen. Det blirdemonstrert at ved å justere disse variablene kan man oppnå en viss kontroll over væskensposisjon i kanalen, noe som kan peke mot grunnleggende designprinsipper for utformingav systemer som utnytter kapillærkrefter.
Oppgaven identifiserer også overflateruhet som en betydelig hindring for ideellkapillærstrøm. Det er et tydelig avvik mellom teoretiske antakelser og deeksperimentelle resultatene, hovedsakelig på grunn av overflateruhet. Dette understrekerviktigheten av å velge materialer of produksjonsmetoder med omhu, og at glatteoverflater bør priotiteres.
Oppsummert representerer denne masteroppgaven en begynnelse for utforskning avbalansen mellom gravitasjon og overflatespenning i forbindelse med oppsamling ogfrigjøring av EBC i puste-analysatorer som Inflammacheck®. Undersøkelsen danner etfundament ved å gi en første innsikt i hvordan overflatespenning og geometriskeparametere spiller inn, samtidig som den påpeker begrensningene som overflateruhetmedfører. Resultatene antyder at det er behov for mer omfattende undersøkelser ogvidereutvikling i fremtidige studier for å kunne anvende dette i praksis. In this master’s thesis, the challenge of efficiently and exactly collecting andtransporting exhaled breath condensate (EBC) in the sensor cartridge of theInflammacheck® breathalyzer is studied. The Inflammacheck® breathalyzer is a devicedeveloped by Zimmer and Peacock for non-invasive monitoring of respiratory conditionsthrough the analysis of EBC. In a preliminary study, an initial exploration of variousforces and phenomena is performed to discern feasible mechanisms for the retention andrelease of liquid. Through this preliminary study, it becomes evident that understandingthe balance between gravitational and surface tension forces in the sensor cartridge ispivotal, and the study converges to analyzing how geometric parameters and materialproperties influence these forces.
An ’Hourglass Concept’ is conceived with this focus, utilizing capillary action withinconverging and diverging channels. Analytical calculations, numerical simulations, andpractical experiments provide a foundational understanding of the interplay between thesurface tension of the condensate, channel geometries, and channel surface properties. Itis demonstrated that manipulating these variables imparts a degree of control over theequilibrium position of the liquid within the channel, which gives guiding principles forthe design of systems harnessing capillary forces.
Additionally, the study identifies surface roughness as a substantial constraint in achievingideal capillary flow. There is a deviation between theoretical predictions and experimentalresults, attributed mainly to surface roughness, emphasizing the necessity for judiciousmaterial selection and manufacturing methods, preferably aiming at smooth surfaces.
In summary, this thesis constitutes an initial exploration into balancing gravitationaland surface tension forces for EBC retention and release in breathalyzers like theInflammacheck®. The investigation lays the groundwork by presenting preliminaryinsights into the role of surface tension and geometric parameters within capillary flowwhile cautioning against the constraints posed by surface roughness. The findings callfor further investigation and refinement in subsequent studies to increase practicalapplications.