Lubrication effects on droplet manipulation by electrowetting-on-dielectric (EWOD)

Electrowetting has a potential to realize stand-alone point-of-care (POC) devices. Here we report droplet-migration characteristics on oil-infused electrowetting-on-dielectric (EWOD) substrates. We prepare sparse micropillars to retain the oil layer in order to exploit the layer as a lubricating film. A physical model of the droplet velocity is developed, and effects of the lubrication, the oil viscosity, the droplet volume, and the thickness of solid and liquid dielectric layers are discussed. It is found that the droplet velocity is scaled as square of E, which differs from a relationship of cube of E for droplets sliding down on liquid-infused surfaces by gravity. Furthermore, our device achieves droplet velocity of 1 mm/s at the applied voltage of 15 V. The velocity is approximately tenfold as high as the same condition (applied voltage and oil viscosity) on porous-structure-based liquid-infused surfaces. The achieved high velocity is explained by a lubrication-flow effect.Comment: 16 pages, 10 figure

Principles of microfluidic actuation by modulation of surface stresses

Development and optimization of multifunctional devices for fluidic manipulation of films, drops, and bubbles require detailed understanding of interfacial phenomena and microhydrodynamic flows. Systems are distinguished by a large surface to volume ratio and flow at small Reynolds, capillary, and Bond numbers are strongly influenced by boundary effects and therefore amenable to control by a variety of surface treatments and surface forces. We review the principles underlying common techniques for actuation of droplets and films on homogeneous, chemically patterned, and topologically textured surfaces by modulation of normal or shear stresses

Experimental studies of liquid marbles and superhydrophobic surfaces

The interaction of water droplets with hydrophobic or rough, superhydrophobic solid surfaces has been studied. Such surfaces may be found in the natural world and their potential applications range from waterproof and self-cleaning surfaces to droplet microfluidics. A measure of hydrophobicity is obtained from the angle between the liquid and solid surface measured from the solid through the liquid, known as the contact angle. Variations in this angle can indicate not only a level of ‘wetting’ of the surface but also small amounts of droplet movement and may be achieved by electrowetting, the application of a voltage between a liquid droplet and a substrate, and/or by varying the local topography of the surface. Photolithography and thin-film deposition fabrication techniques have been used to create hydrophobic and superhydrophobic surfaces for use in electrowetting experiments. Both AC and DC electrowetting behaviour has been investigated and the results have been shown to be in agreement with past work and well established theory. Liquid marbles have been investigated as water drops displaying extreme non-wetting behaviour, with conformal coatings forming textures similar to those formed by the topography of a super-hydrophobic surface

Wirelessly Powered Electrowetting-on-Dielectric(EWOD)

Electrowetting-on-dielectric (EWOD) allows us to control wettability of droplets on a solid surface using electrical inputs and has been used in a wide range of applications including microfluidics, optical displays, lenses, and others. To date, however, they all have been powered in wired connections, limiting their further employments in hard-to-reach area particularly for implantable EWOD devices. One way to deal with the presented issue, a wireless EWOD system is studied and developed. Due to compatibility of EWOD with AC (less than 1 kHz), a wireless powering as prompt method is achieved by a magnetic induction which essentially utilizes AC signal. The wireless powering with droplets actuation is verified in both using spool-type coils and planar coils. In the spool-type wireless EWOD study, the induced voltage at the receiver is much higher (~390 V) than typically required EWOD voltages (at least >50 V), which is sufficient to actuate the droplets. For reliable wireless EWOD actuation, the voltage induction has to be higher than the conventional EWOD while the current does not have to be necessarily high. Since the voltage induction is proportional to the transmission frequency, a higher voltage can be obtained by increasing the transmission frequency. However, if the transmission frequency is too high, the actuation of droplets might be limited. For an efficient EWOD actuation even at such a high transmission frequency, the system might need to be incorporated with an external demodulation circuit. This issue is addressed in the planar wireless EWOD system in which the powering devices and EWOD electrodes are integrated by standard photolithography process. To oscillate droplets while in lateral actuation irrespective of the coil type, amplitude modulation (AM) technique is applied to the wirelessly transmitted signal. Droplet oscillations are often introduced in many applications and beneficial to reduce the contact angle hysteresis. Eventually, by employing the compact wireless EWOD system into particle collecting and mini-boat propulsion, the unnecessary and cumbersome wire connections between the device components are significantly reduced, and more convenient and flexible EWOD operation is achieved with less constraint of the space and equipment

Optisesti luotujen sähkökenttien käyttö mikrofluidistiikan ja solumanipuloinnin sovelluksissa

This thesis is a part of OPTIMI (Optically actuated microfluidics) project supported by Academy of Finland. The participants of the project were Tampere University of Technology (TUT) and Helsinki University of Technology (HUT). The goal of the project was to develop a flexible biomedical microfluidic system composed from completely optically induced components. Electrowetting is a mechanism to transport microscale droplets electrically. In electrowetting-based manipulation, droplet is moved by locally modifying the surface tension of liquid. In this thesis, optically induced electrowetting, named as optoelectrowetting, that is using a photoconductive surface for addressing electric fields used for electrowetting, is presented. Optoelectrowetting provides a flexible, illumination-based creation of electric fields that are used to control surface tension of liquid. The scope of this thesis work is to develop a system where the optoelectrowetting mechanism could be implemented to enable manipulation of microliter droplets. This thesis focuses on modelling the optoelectrowetting device in order to provide the requirements for effective optoelectrowetting system. The idea is that these requirements could be used as a guideline for developing a reconfigurable microliter droplet manipulation platform using optoelectrowetting. Theoretical backgrounds of the optoelectrowetting together with the closely related phenomena are discussed in the first part of this thesis. It includes also a short overview of applications, where optically triggered photoconductive layer have already been used. Furthermore, some potential applications are outlined in this part. The second part of this thesis consists of experimental work and modelling. Based on the requirements for the effective optoelectrowetting manipulation presented in the experimental part, an optoelectrowetting device is proposed. Experiments that are supporting the proposed model are reported. In the last part of this work, the refined requirements for effective optoelectrowetting manipulation are presented. As a result of the proposed model, the usability of the system is considered. In the end of this thesis, possible future development with the outlined device is discussed. /Kir10Tämä diplomityö on osa Suomen Akatemian rahoittamaa OPTIMI – projektia (Optisesti ohjattava mikrofluidistiikka), jossa tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmiä integroida useita erilaisia optisia ohjausmenetelmiä yhdelle alustalle. Projektin tavoitteena oli siinä kehitettyjen menetelmien hyödyntäminen mikrofluidistiikan eri sovelluksissa, esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa ja analysoinnissa. Tampereen teknillisen yliopiston lisäksi projektissa oli mukana Teknillisen korkeakoulun (kuuluu nykyisin Aalto-yliopistoon) Automaatio- ja systeemitekniikan laitos. Projektin ensimmäinen vaihe liittyi erilaisten optisesti ohjattujen menetelmien perehtymiseen ja arviointiin niiden toteuttamiskelpoisuudesta projektin puitteissa. Selvityksen perusteella tämän diplomityön aihe päätettiin rajata koskemaan vain mikropisaroiden manipulointia. Työn tavoitteena on mallintaa järjestelmä, jossa tilavuudeltaan mikrolitran kokoluokkaa olevaa pisaraa pystytään ohjaamaan valolla luotujen sähkökenttien avulla. Muut työn ydinaihetta läheisesti sivuavat aiheet, kuten valolla luotujen sähkökenttien käyttö solumanipuloinnin sovelluksissa, esitellään ainoastaan lyhyesti tässä työssä. Mikrofluidistiikan avulla monet perinteiset laboratoriotestit voidaan siirtää yhdelle alustalle. Samalla testianalyysien automatisointiastetta on mahdollista kasvattaa, mikäli vain löydetään ratkaisu useamman eri toiminnon integroimiseen samalle alustalle. Lisäksi analyyseihin tarvittavaa aikaa pystytään pienentämään mikrofluidistiikan avulla, koska useat prosessit, esimerkiksi analyyseissä yleiset kemialliset reaktiot, tapahtuvat huomattavasti nopeammin pienemmässä tilavuudessa. Täten mikrofluidistiikka mahdollistaa analyysien nopeuden ja määrän merkittävän kasvattamisen. Massatuotannossa edullisten mikrofluidistiikkaan perustuvien analyysialustojen etuja perinteisiin menetelmiin verrattaessa ovat myös vähäisempi käytettävien aineiden, kuten kemikaalien, käyttö ja kulutus sekä kannettavien laitteiden suoma mahdollisuus paikan päällä tapahtuvaan seurantaan. Perinteisessä mikrofluidistiikassa järjestelmät ovat rakennettu miniatyrisoimalla makromaailmassa käytettyjä komponentteja. Esimerkiksi nesteen liikuttelu tapahtuu tyypillisesti alustaan liitettyjen mikropumppujen avulla mikrokanavissa, joiden poikkileikkausmitat ovat yleensä alle millimetrin kokoluokkaa. Mittasuhteiden pienentäminen aiheuttaa muun muassa sen, että nesteen virtausnopeus tietyllä paineella hidastuu mikrokanavassa verrattuna suurempaan kanavaan. Pienenemisestä johtuvat ilmiöt saattavatkin aiheuttaa merkittäviä pullonkauloja erityisesti nopeutta vaativissa analyyseissa. Seurauksena on helposti se, että kaikkien tarvittavien komponenttien, erityisesti tarpeeksi tehokkaiden pumppujen, miniatyrisointi yhdelle sirulle ei onnistu. Tästä johtuen viime aikoina onkin kehitelty useita erilaisia mikroluokan nesteiden siirtoon perinteisiä menetelmiä paremmin soveltuvia tekniikoita. Yksi kiinnostavimmista uusista tekniikoista on niin kutsuttu digitaalinen mikrofluidistiikka, jossa perinteinen jatkuva nestevirtaus mikrokanavissa on korvattu erillisten pisaroiden ohjaamisella. Digitaalisessa mikrofluidistiikassa fyysiset mikrokanavat on korvattu pinnalla, jonka alla sijaitsee ohjattava elektrodimatriisi. Pisaroiden liikutteleminen tapahtuu niin kutsuttua electrowetting-periaatetta hyväksikäyttäen. Kyseisessä menetelmässä nestepisaran manipulointi onnistuu muuttamalla sen pintajännitystä tarpeeksi suuren sähkökentän avulla. Pintajännityksen vaihtuminen aiheuttaa muutoksen pisaran ja pinnan väliseen kontaktikulmaan. Kytkettäessä sähkökenttä vain yhdelle nestepisaran puolelle, pystytään pisaraan pintajännitystä muokkaamaan paikallisesti. Tällöin nestepisaran kontaktikulman muutos on erisuuruinen pisaran vastakkaisilla puolilla, luoden paine-eron pisaran sisälle, joka saa aikaan pisaran liikkumisen. Elektrodimatriisia sopivasti ohjaamalla pystytään samanaikaisesti manipuloimaan useampia pisaroita, täten mahdollistaen samanaikaisesti suuren määrän yksilöllisesti ohjattavia rinnakkaisia operaatioita. Tyypillisesti järjestelmän mikroelektrodit valmistetaan perinteisillä mikropiirien valmistusmenetelmillä. Koska pienin mahdollinen liikuteltavissa oleva pisaran koko määräytyy käytettyjen mikroelektrodien perusteella, vähentää niiden käyttö alustojen uudelleenkäytettävyyttä erisuuruisten pisaroiden liikuttamisessa. Lisäksi, mikäli elektrodeja halutaan edelleen pienentää pienempien pisaroiden ohjaamista varten, niiden kytkeminen vaikeutuu. Tästä johtuen hiljattain on esitetty konsepti, jossa pisaran manipulointi perustuu esitettyyn electrowetting-periaatteeseen ilman yllä esitettyjä ongelmia. Sen toiminta perustuu valojohtavan kerroksen käyttämiseen sähkökenttien osoittamisessa. Kyseisen kerroksen johtavuutta pystytään paikallisesti kasvattamaan sopivalla valaistuksella. Esitetyssä järjestelmässä pisaran hallitsemiseen tarvittavat sähkökentät luodaan virtuaalisesti säädettävällä valolla. Koska koko elektrodikerros on samassa potentiaalissa, myös elektrodien yksilöllisestä osoituksesta aiheutuva ongelma poistuu. Toimintaperiaate on se, että kun valoa ei tuoda järjestelmään, valojohtavan kerroksen impedanssi on suuri. Tämä estää merkittävän sähkökentän vaikutuksen pisaraan. Valaistaessa valojohtavan kerroksen impedanssi pienenee, sallien pisaran valo-ohjatun kontrolloimisen. Tämä mahdollistaa joustavan ja uudelleen muokattavan järjestelmän rakentamisen mikrofluidistiikan eri sovelluksiin, ratkaisten samalla suurimmat perinteisessä digitaalisessa mikrofluidistiikassa esiintyvät ongelmat. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella laite, jolla mikroskooppisen mikropisaran ohjaaminen onnistuu optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Yhteistyö projektissa oli päätetty niin, että Teknillinen korkeakoulu kehittää ja valmistaa analyyseissä käytettävän alustan, kun taas Tampereen teknillinen yliopisto keskittyy alustan implementoimiseen mikrofluidistiikan sovelluksiin. Tästä johtuen tämän diplomityön pääpaino on optisesti luotujen sähkökenttien käytön mallintamisessa mikrofluidistiikan sovelluksiin. Työn keskittyessä mallintamiseen, ilmiön taustan kartoittaminen perustui suurelta osin muiden tutkimusryhmien raportointeihin. Tässä katsauksessa tuli selkeästi esille, kuinka esitetyt mallit ja tutkimustulokset aiheesta ovat vielä ristiriitaisia. Koska projektin tavoitteena oli mahdollisimman monipuolisen ja toimivan järjestelmän rakentaminen, on tarkasteltavan ilmiön yksityiskohtainen tietämys erittäin tarpeellista. Työssä olikin ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, miten optisesti luodut sähkökentät vaikuttavat nestepisaran käyttäytymiseen. Työn ensisijaisena tavoitteena oli rakentaa malli, joka kuvaisi tarpeellisen tarkasti käsiteltyä ilmiötä. Julkaisuiden osittain ristiriitaisesta ilmiön esittämisestä johtuen tämän työn tuloksena ehdotetun mallin toimintaperiaate on uusi, vaikka se käyttääkin ilmiön mallintamisessa hyödyksi jo olemassa olevia ekvivalenttipiirejä. Huolimatta siitä, että uusi malli onkin hyvin pelkistetty, alustavien testien perusteella se todettiin olevan käyttökelpoinen ja siten soveltuvan haluttuun käyttötarkoitukseensa. Järjestelmän suunnittelussa aluksi muodostetaan sitä vastaava ekvivalenttipiiri, jossa eri kerrokset on mallinnettu niille sopivilla komponenteilla. Tämän jälkeen mallin avulla lasketaan näiden eri komponenttien arvot kyseisessä järjestelmässä. Kun saadut arvot sijoitetaan ekvivalenttipiiriin, on mahdollista laskea nestepisaran pintajännitykseen vaikuttavan voiman suuruus. Tämän perusteella pystytään arvioimaan, kuinka nestepisara käyttäytyy pinnalla. Mallin avulla on mahdollista myös tutkia, kuinka järjestelmän parametrien muuttaminen vaikuttaisi laitteen toimintaan. Tätä voidaan käyttää hyväksi kahdessa eri tapauksessa. Ensinnäkin, muodostettua mallia apuna käyttäen on mahdollista määritellä parhaiten sopivia ohjausparametreja jo valmiina oleviin järjestelmiin, sen avulla voidaan esimerkiksi löytää tietyn järjestelmän optimaalisin sähkökentän taajuusalue. Mallin avulla pystytään myös suunnittelemaan järjestelmä, joka mahdollistaa nestepisaran tehokkaan liikuttamisen optisesti luotujen sähkökenttien avulla. Työssä kehitellyn mallin perusteella ehdotetun järjestelmän pitäisi mahdollistaa toivottu nestepisaran manipulointi optisest luotujen sähkökenttien avulla. Mahdollisessa jatkokehityksessä on ensiarvoisen tärkeää, että alustan rakentamiseen liittyvät ongelmat saadaan ratkaistua. Esimerkiksi elektrodien päällystäminen valojohtavalla kerroksilla todettiin erittäin haasteelliseksi. Valmistuksesta johtuvat vaikeudet tulivat konkreettisesti esille erityisesti omien mittausten aikana. Koska ilmiö on verrattain uusi eikä kattavaa teoriaa ole esitetty, on myös ensisijaisen tärkeätä panostaa ohjausmenetelmän taustalla vaikuttavien ilmiöiden tarkempaan teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimiseen

Electrodynamic droplet actuation for lab on a chip system

This work presents the development of electrowetting on dielectric and liquid dielectrophoresis as a platform for chemistry, biochemistry and biophysics. These techniques, typically performed on a single planar surface offer flexibility for interfacing with liquid handling instruments and performing biological experimentation with easy access for visualisation. Technology for manipulating and mixing small volumes of liquid in microfluidic devices is also crucially important in chemical and biological protocols and Lab on a Chip devices and systems. The electrodynamic techniques developed here have rapid droplet translation speeds and bring small droplets into contact where inertial dynamics achieve rapid mixing upon coalescence.In this work materials and fabrication processes for both electrowetting on dielectric and liquid dielectrophoresis technology have been developed and refined. The frequency, voltage and contact angle dependent behaviour of both techniques have been measured using two parallel coplanar electrodes. The frequency dependencies of electrowetting and dielectrophoretic liquid actuation indicate that these effects are high and low-frequency limits, respectively, of a complex set of forces. An electrowetting based particle mixer was developed using a custom made electrode array and the effect of varying voltage and frequency on droplet mixing was examined, with the highest efficiency mixing being achieved at 1 kHz and 110 V in about 0.55 seconds.A composite electrodynamic technique was used to develop a reliable method for the formation of artificial lipid bilayers within microfluidic platforms for measuring basic biophysical aspects of cell membranes, for biosensing and drug discovery applications. Formation of artificial bilayer lipid membranes (BLMs) was demonstrated at the interface of aqueous droplets submerged in an organic solvent-lipid phase using the liquid dielectrophoresis methods developed in this project to control the droplet movement and bring multiple droplets into contact without coalescence. This technique provides a flexible, reconfigurable method for forming, disassembling and reforming BLMs within a microsystem under simple electronic control. BLM formation was shown to be extremely reliable and the BLMs formed were stable (with lifetimes of up to 20 hours) and therefore were suitable for electrophysiological analysis. This system was used to assess whether nanoparticle-membrane contact leads to perturbation of the membrane structure. The conductance of artificial membranes was monitored following exposure to nanoparticles using this droplet BLM system. It was demonstrated that the presence of nanoparticles with diameters between 50 and 500 nm can damage protein-free membranes at particle concentrations in the femtomolar range. The effects of particle size and surface chemistry were also investigated. It was shown that a large number of nanoparticles can translocate across a membrane, even when the surface coverage is relatively low, indicating that nanoparticles can exhibit significant cytotoxic effects

Fabrication and a Study on the Wetting Properties of Nanostructured Surfaces

Fluid behavior at the microscale exhibits large surface to volume ratios increasing the significance of interfacial phenomena. We have studied two microfluidic phenomena that utilize interplay between microstructure and chemical composition. The first one causes liquid droplets to roll off from surfaces with a very high contact angle. This phenomenon is called superhydrophobic behavior, can be controlled by several tuning parameters. The second one changes the wettability of liquids on a dielectric coated surface with electric potential. The experimental studies were done by first fabricating an ordered array of glass nanocones. Fiber drawing and differential glass etching processes were used to produce cone like structures with lattice constant of 40 μm down to 1.6 μm. The superhydrophobic behavior was first studied and modeled in a series of nanocone wafers of increasing aspect ratio from .3 to 15. The characterization was done by the measurement of the contact and rolling angles. The Wenzel to Cassie transition of wetting states was observed. The contact angles were calculated by using the ‘axisymmetric drop shape analysis’ approach. Next, the study of the electrowetting behavior of two broad categories of structured surfaces was done. One was a low aspect ratio surface exhibiting Wenzel wetting and the other was a high aspect ratio surface exhibiting Cassie wetting. The device for experimental study was prepared by coating additional layers, which included conductive gold and dielectric Parylene-C coatings. Studies were done using silicone oil and air as the ambient medium. Images of drops were taken at different voltages and the contact angles were calculated geometrically. Electrowetting on nanocone arrays was modeled using an energybased approach and the obtained theoretical curves were compared to the experimental ones. Oil helped in achieving a large contact angle change. A qualitative analysis of the electrowetting properties of the surfaces was done based on the voltage-contact angle curves

Review: Biosensors for the detection of Escherichia coli

The supply of safe potable water, free from pathogens and chemicals, requires routine  analyses and the application of several diagnostic techniques. Apart from being  expensive, many of the detection methods require trained personnel and are often time-consuming. With drastic climate changes, severe droughts, increases in  population and pollution of natural water systems, the need to develop ultrasensitive, low-cost and hand-held, point-of-use detection kits to monitor water quality is critical. Although Escherichia coli is still considered the best indicator of water quality, cell numbers may be below detection limits, or the cells may be non-culturable and thus only detected by DNA amplification. A number of different biosensors have been developed to detect viable, dead or non-culturable microbial cells and chemicals in water. This review discusses the differences in these biosensors and evaluates the application of microfluidics in the design of ultra-sensitive nano-biosensors.Keywords: Biosensors, microfluidics, nano-biosensors, E. coli detectio

MICROPARTICLE SAMPLING AND SEAPARATIONENABLED BY DROPLET MICROFLUIDICS

This work reports design, device fabrication, modeling and experimental results on newsampling and separation principles in which liquid is transported in a droplet form on a plannerhydrophobic surface with no moving parts. The presented particle sampler and separatorconstitute core units for the handheld lab-on-a-chip-based airborne particle monitoring system.For the airborne particle sampling, a novel method is developed by which the particles onthe solid surface are swept and sampled by electrowetting-actuated moving droplets. Theoreticalanalysis and experimental works along with microfabricated testing devices are carried out toinvestigate the underlying physics and to optimize the sampling conditions. The samplingconcepts are examined and proved on a solid surface and perforated filter membrane showinghigh sampling efficiencies.For the particle separation, a new separation scheme is developed in which the mixedparticles are separated within a mother droplet by traveling-wave dielectrophoresis (tw-DEP).Using the subsequent operation of droplet splitting by way of electrowetting, the separatedparticles can be isolated into each split droplet according to the DEP properties of the particles.This in-droplet separation is examined with many combinations of particles in microfabricateddevices. By investigating the particle behavior as function of the frequency of the traveling waveDEP signal, the separation efficiencies are optimized.The above microfluidic units constitute key components for upstream particle sampling anddownstream sample processing in the lab on a chip system, providing the following advantages:extremely small amount use of samples/reagents (2) no external pressure source required forfluidic operations, (3) simple design and fabrication since no mechanical moving structure