Fabrication of Embedded Microvalve on PMMA Microfluidic Devices through Surface Functionalization

The integration of a PDMS membrane within orthogonally placed PMMA microfluidic channels enables the pneumatic actuation of valves within bonded PMMA-PDMS-PMMA multilayer devices. Here, surface functionalization of PMMA substrates via acid catalyzed hydrolysis and air plasma corona treatment were investigated as possible techniques to permanently bond PMMA microfluidic channels to PDMS surfaces. FTIR and water contact angle analysis of functionalized PMMA substrates showed that air plasma corona treatment was most effective in inducing PMMA hydrophilicity. Subsequent fluidic tests showed that air plasma modified and bonded PMMA multilayer devices could withstand fluid pressure at an operational flow rate of 9 mircoliters/min. The pneumatic actuation of the embedded PDMS membrane was observed through optical microscopy and an electrical resistance based technique. PDMS membrane actuation occurred at pneumatic pressures of as low as 10kPa and complete valving occurred at 14kPa for 100 micrometers x 100 micrometers channel cross-sections.Comment: Submitted on behalf of EDA Publishing Association (http://irevues.inist.fr/handle/2042/16838

Slotted photonic crystal biosensors

Optical biosensors are increasingly being considered for lab-on-a-chip applications due to their benefits such as small size, biocompatibility, passive behaviour and lack of the need for fluorescent labels. The light guiding mechanisms used by many of them result in poor overlap of the optical field with the target molecules, reducing the maximum sensitivity achievable. This thesis presents a new platform for optical biosensors, namely slotted photonic crystals, which engender higher sensitivities due to their ability to confine, spatially and temporally, the peak of optical mode within the analyte itself. Loss measurements showed values comparable to standard photonic crystals, confirming their ability to be used in real devices. A novel resonant coupler was designed, simulated, and experimentally tested, and was found to perform better than other solutions within the literature. Combining with cavities, microfluidics and biological functionalization allowed proof-of-principle demonstrations of protein binding to be carried out. High sensitivities were observed in smaller structures than most competing devices in the literature. Initial tests with cellular material for real applications was also performed, and shown to be of promise. In addition, groundwork to make an integrated device that includes the spectrometer function was also carried out showing that slotted photonic crystals themselves can be used for on-chip wavelength specific filtering and spectroscopy, whilst gas-free microvalves for automation were also developed. This body of work presents slotted photonic crystals as a realistic platform for complete on-chip biosensing; addressing key design, performance and application issues, whilst also opening up exciting new ideas for future study

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

The development of microfluidic platforms for environmental analysis

There is currently a gap in the use of centrifugal microfluidics in the field environmental sensing. The purpose of this thesis was to develop new and innovative centrifugal microfluidic platforms, which could enhance current environmental monitoring strategy limitations; portability and in-situ capability, cost-effectiveness, generical design for multi-analyte detectability, and the minimal required end-user interaction. Included in the main body of the thesis will be a review article, providing the theoretical perspectives which have been demonstrated for microfluidic applications in other domains and recommendations for adaptation towards environmental sensing using centrifugal microfluidics, and three novel papers on the staged development of a multi- toxin detection platform aimed to be incorporated within the fully deployable MariaBox (Marine environmental in-situ assessment and monitoring toolBox, co-funded by the European Commission: contract no.614088) system. The aspects covered across these three original articles includes the development of a centrifugal microfluidic platform with complementary fluorescence detection system as an initial test bed for toxin bio- assay integration on-disc, progression of current centrifugally-automatable pneumatic microvalve mechanisms for increased actuation predictability, and the further combination of both of these detection and microvalve mechanisms for a complete on- disc, multi-toxin detection platform which has been designed specifically to be compatible with the deployable MariaBox platform

Simplified fabrication of complex multilayer microfluidics: enabling sophisticated lab-on-a-chip and point-of-care platforms

Complex multilayer microfluidics have generated a lot of interest in recent years. Early research introduced elastomer microvalves and postulated they would bring about a revolution for microfluidic systems, similar in scale to introduction of the transistor for electronic systems. In the following years, many researchers have been active in the use of complex multilayer microfluidic systems, with numerous high impact research outcomes using these systems as precise and active control components, providing fluidic isolation, switching or fluidic actuation, and allowing unprecedented sophistication and precise control and automation of experimental conditions. While application of complex multilayer microfluidic platforms has been demonstrated in numerous research settings, there is little evidence that the technology has become ubiquitously accepted, with a lack of evidence for point-of-care application, or widespread acceptance within the research community. While the advantages that the technology offers have been well documented, the field seems to have failed to gain traction, or facilitate the revolution that was predicted on its introduction. There are various possible explanations for this lack of acceptance, as with any technology, there are caveats to the application of complex multilayer microfluidic systems, however given the broad range of demonstrated applications, it is unlikely that the bottleneck in their application is related to a fundamental application related limitation. In contrast, fabrication technology utilised in realisation of complex multilayer microfluidic systems, has not advanced at the same rate to the multitude of application-based publications in the past decade. This thesis explores the hypothesis that one of the fundamental limiting factors in widespread application of complex multilayer microfluidic systems, is related to the challenges associated with fabrication of these systems. To explore this hypothesis, firstly, a new fabrication approach is introduced which aims to eliminate many of the challenges associated with traditional multilayer fabrication methods, this technique is demonstrated in a proof of concept capacity, fabricating common multilayer microfluidic structures and doing so with surprising ease. Having developed method with simpler fabrication, it is possible to explore whether overcoming the multilayer fabrication bottleneck would allow the advantages inherent to complex multilayer microfluidic systems to be applied to fields which would otherwise be considered prohibitively difficult, if reliant on traditional fabrication methods. This hypothesis is investigated through harnessing the new, simplified fabrication technique to advance point-of-care photonic biosensor research through short term collaborative engagements.  It is found that the use of modular building blocks and the simple, rapid fabrication enables sophisticated microfluidic chip prototypes to be developed in a very short period of time achieving multiple iterations over a matter of weeks and even facilitating collaboration on these integrated platforms remotely. The outcomes of these short-term collaborations have produced publications automating the fluid handling of highly sensitive interferometric waveguide biosensors and environmental control for a single cell analysis platform utilising integrated plasmonic biosensors.       Having demonstrated that simplifying complex microfluidic fabrication can accelerate the development and deployment of these systems to enhance research platforms, the next step was to explore whether this simplified system could also lower the barrier to deployment in a clinical setting. The ability for the fluidic system to handle whole blood was chosen as a deliberately challenging target with great sensitivity to fluid dynamics and large variability in patient samples and environmental factors, requiring large number of replicate devices to determine statistical significance. Here the fabrication technique is applied to enable a study investigating the hemocompatibility of common multilayer control components, paving the way for point of care blood handling devices.  It is shown that not only can the technique be used to rapidly develop platforms that can be used with blood, but the same technique can produce even hundreds of replicates required for limited clinical trials, leading the collaborating clinicians to seriously consider these complex microfluidics for future point of care diagnostics. In Summary, it has been demonstrated that access to complex multilayer microfluidic systems without the fabrication overheads generally associated with these systems can allow their application to areas that would otherwise be prohibitively difficult. The fabrication method presented can allow rapid development, and rapid and reliable deployment to various research applications, while allowing the consistency and throughput required enabling large volume fabrication required for clinical investigations.  The fact that such a large advancement toward real world application within the scope of a single PhD is possible, supports the hypothesis that lowering the barrier to fabricating complex microfluidic devices has the potential to significantly increase their scope of application