107 research outputs found

    A microfabricated microconcentrator for sensors and chromatography

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    The detection and quantitative measurement of trace components is a challenging task. The key component in such an instrument is the concentration step where the analytes are accumulated before the analysis. In this research, simple and inexpensive processes for the microfabrication of microconcentrator that can be used with sensors and as an injector in GC were developed. Analytes are selectively concentrated in the microconcentrator. Rapid electrical heating of the microconcentrator releases the adsorbed species as a 66 concentration pulse , which serves as an injection for the detection system. The relatively small size of the microconcentrator allows it to be heated and cooled rapidly. The microconcentrator serves the dual purposes of sample concentration and injection. The devices were fabricated on 6-inch silicon substrate using standard photolithographic processes. First, a microheater embedded in silicon wafer was fabricated. The channels were lined with a conductive layer by sputtering metal film through which an electric current could be passed causing Ohmic heating. The preconcentration was done on thin-film polymeric layer deposited in the channel. Rapid heating of the conductive layer caused the desorption pulse to be injected into the sensor/detector. Several channel configurations were fabricated with a width between 50 to 456 μ-m depth between 35 and 350 μ-m and length between 6 and 19 cm. The separation distance between the channels was varied such that the entire microheater fitted in a 1cm 2 area. Due to their small size, the microconcentrators could be fabricated more than 50 at a time on a 6-inch silicon wafer. In the first part of this research, the heating characteristics of the microheaters are studied. Deposition of metals to form a resistive heating element in microchannels was demonstrated. It was found that temperature as high as 360°C could be attained in a ten seconds. The microconcentrator was effective as a concentrator plus injector. It exhibited high signal enhancement and precision

    Development of a rapid prototyping method for hard polymer microfluidic systems tested through iterative design of a PCR chamber chip

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    Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014One of the challenges of working with polymer microfluidics is the lack of an established prototyping method which allows for easy translation to industrial production. By combining Hot Embossing and Computer Numerically Controlled Milling a microfluidic rapid prototyping method was established for Polycarbonate and Cyclic Olefin Polymer. This method was then tested and optimized through an iterative design process of a microfluidic Polymerase-Chain Reaction chamber. The fabrication method proved to be suitable for microfluidic prototyping, allowing for rapid design changes and fabrication of good quality copies in a simple and straightforward fashion.Uma das dificuldades em trabalhar com microfluídica em polímeros é a falta da existência de um método de prototipagem que permita uma passagem simples para um ambiente de produção industrial. Neste trabalho foi desenvolvido um método de prototipagem rápida para microfluídica em Policarbonato e Cyclic Olefin Polymer utilizando uma Fresadora de Controlo Numérico Computorizado e Hot Embossing. Este método foi testado e optimizado através de um processo de design iterativo de uma câmara microfluídica de Reacção em Cadeia da Polimerase em Policarbonato. O método desenvolvido provou ser adequado para prototipagem microfluídica, permitindo alterações rápidas ao desenho e fabricação de várias cópias com boa qualidade de cada desenho

    Micro- and Nano Engineering for Polymerase Chain Reaction

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    In the frame of this thesis, polymerase chain reaction (PCR) is analyzed from analogue to digital, from thermal cycling to a single temperature. An "analogue" measurement infers certain measurements based on the measured pattern, whereas a "digital" measurement method measures a variable quantitatively and discretely. First, an open system with a thermal gradient feature to optimize PCR is described. The gradient is measured through encapsulated aqueous beads of a temperaturedependent dye with volumes in the low microlitre range within slightly larger oil droplets, forming virtual reaction chambers (VRCs). VRCs exploit the advantages of microfluidics and droplets in a simple way while circumventing many practical problems. As the gradient feature allows for testing a range of annealing temperatures simultaneously, the optimal annealing temperature can be determined easily in a single run. Second, a microfluidics platform using capillaries was built to generate nanoscale droplets. Those monodisperse, isolated compartments are used as nano-reactors for isothermal PCR – recombinase polymerase amplification (RPA). By precise definition of the starting time of RPA, the method detects nucleic acid at the single molecule level by counting the presence or absence of the amplification of individual molecules confined to isolated compartments. Third, a biomimetic chip with a nanowell structure was duplex-imprinted from a natural insect, Cicada, to run digital PCR. The glassy wings of Cicada, which are abundant in nature, exhibit a strikingly highly organized nanopillar structure over its membrane on both sides. A duplex nanoimprint technique was proposed to fabricate the chip out of the cleanroom, which combines the top-down and bottomup nanofabrication technique to speed up the fabrication process and achieve higher throughput. Further experiments for digital PCR using the Cicada chip are II still ongoing. Additionally the Cicada nanowell chips has a potential to be employed in other applications, such as nanoparticles self-assembly, Matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) etc.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase chain reaction; PCR) untersucht, von Analog bis Digital als auch bei zyklisch wechselnden Temperaturen und festen Temperaturwerten. Eine „digitale“ Messung misst hierbei quantitativ und eigenständig eine bestimmte Variable, wohingegen „analoge“ Messungen bestimmte Messwerte extrapolieren, basierend auf einem gemessenen Muster. Zuerst wird ein offenes System mit einem Temperatur-Gradienten zur Optimierung der PCR beschrieben. Der Gradient wurde vermessen mittels verkapselter, wässriger Mikrobeads mit einem temperaturabhängigen Farbstoff mit Volumina im niedrigen Mikroliter-Bereich innerhalb leicht größerer Öltropfen, die hierbei eine Virtuelle Reaktionskammer (VRC) bilden. VRCs stellen einen simplen Weg zur Untersuchung der Vorteile der Mikrofluidik und Droplettechnologie dar, wobei viele praktische Probleme verhindert werden können. Durch die Eigenschaften des Gradienten war es möglich, eine große Breite von Temperaturen zu testen, um die optimale Annealing-Temperatur in einem einzelnen Experiment zu ermitteln. Zweitens wurde eine mikrofluidische Plattform hergestellt, um Tropfen in Nano- Größe zu generieren. Diese monodispersen, isolierten Kompartimente wurden als Nanoreaktoren für isothermale PCR-Rekombinase Polymerase Ampifikation (RPA) verwendet. Durch genaue Definition der Startzeit der RPA konnte die Methode verwendet werden, um Einzelmoleküle von Nucleinsäuren nachzuweisen über Präsents oder Absenz einer Amplifikation des jeweiligen Moleküls in den isolierten Kompartimenten. Drittens wurde ein bio-mimetischer Chip mit Nanowell-Strukturen für PCR als Duplex-Abdruck eines Insektes, Cicada, geformt. Die Glasflügel von Cicada, welche in großer Fülle in der Natur vorliegen, besitzen eine hoch-organisierte NanopillarIV Struktur, verteilt über die Membranen auf beiden Seiten. Eine Duplex- Nanoabdruck Technik wurde verwendet, um die Chips außerhalb eines Reinraums herstellen zu können, was sowohl die Top-Down- als auch die Bottom-Up- Nanoherstellungstechniken kombiniert, um somit den Fabrikationsprozess beschleunigen und einen höheren Durchsatz generieren zu können. Weitere Experimente mit dem Digital-PCD Cicada Chip sind in Vorbereitung. Des Weiteren hat der Cicada Nanowell-Chip großes Potential in unterschiedlichen Anwendungen weiter genutzt zu werden, wie beispielsweise selbstorganisierende Nanopartikel, Matrix-assisted laser desorption ionization MALDI etc.本论文从模拟到数字,从热循环到单一温度对聚合酶链式反应(PCR) 进行了分析。“数字”测量方法定量且离散地测量某个变量,而“模 拟”测量则是基于测量的模式推断某些测量结果。 首先,本文描述了一个开放的,用于优化PCR 的温度梯度系统。温度 梯度通过温度依赖性荧光染料的胶囊化水珠测量。水珠的体积在低微 升范围内,外面被体积稍大的油滴包裹起来,形成虚拟反应室(VRC)。 由于梯度特征允许同时测试一系列退火温度,所以可以在单个实验中 很容易地确定最佳退火温度,从而达到优化PCR 的目的。 其次,本文介绍了一个基于毛细管的微流体平台,用来产生纳米级的 液滴用于运行数字液滴PCR。这些单分散的液滴隔离室被用作等温 PCR – 重组酶聚合酶扩增 (RPA) 的纳米反应容器。通过精确定义RPA 的起始时间,该方法计数被限制在隔离液滴中的单个分子的扩增结果 的存在与否达到检测单分子水平核酸的目的。 最后,本文介绍了具有纳米孔结构的仿生芯片,用以运行数字PCR。 该创意是从天然昆虫 - 蝉(Cicada)得到灵感。蝉在自然界储藏丰富, 它的透明翅膀在膜的正反面上呈现出惊人的高度有序的纳米柱状结构。 本文的第六章提出了一种双面纳米压印技术,无需无尘室制造芯片, 将自上而下和自下而上的纳米加工技术结合起来,以加快制造过程并 实现更高的生产量。由于检测仪器的限制,使用Cicada 芯片的数字 PCR 实验仍在进行中。此外,蝉纳米芯片将用于其他应用,如纳米粒 子自组装,基质辅助激光解吸电离(MALDI)等

    Portable lab-on-chip platform for bovine mastitis diagnosis in raw milk

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    Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015As medidas de prevenção e controlo da mastite bovina consistem em boas práticas de gestão aliadas à administração de antibióticos. Os conceitos actuais para uma utilização prudente de antibióticos e preocupações a nível de saúde pública têm vindo a reforçar a necessidade de um diagnóstico adequado e atempado. Geralmente, a mastite é detectada com base em sinais clínicos evidentes de condições anormais do leite e / ou do úbere das vacas ou por testes que indicam uma reacção inflamatória. O teste Califórnia Mastite, consiste na contagem de células somáticas e kits relativamente baratos de bio marcadores estão disponíveis para o efeito, mas estes apenas fornecem informações sobre a presença / ausência de inflamação. Nos últimos anos, a tecnologia de Lab-on-Chip teve grandes desenvolvimentos, apresentando inúmeras vantagens relativamente aos métodos tradicionais de detecção de biomoléculas: maior sensibilidade, uma resposta mais rápida, recurso a pequenas quantidades de reagentes, redução do tamanho dos dispositivos, fácil utilização e custos acessíveis. Com o crescente interesse da medicina, indústria farmacêutica, biotecnologia e controlo ambiental, a tendência será deslocar os laboratórios para mais próximo dos clientes, através desta tecnologia também designada Point-of-Care (POC). Paralelamente, a integração da tecnologia biológica em aplicações de engenharia alimentar tem tido particular interesse na última década. A identificação precoce dos agentes patogénicos causadores da mastite bovina tem uma grande importância para a implementação de medidas de controlo adequadas, reduzindo o risco de infecções crónicas e permitindo orientar a terapêutica antimicrobiana a ser prescrita. A rápida identificação dos agentes patogénicos, como Staphylococcus spp. e Streptococcus spp. e, entre estes, a discriminação entre os principais agentes contagiosos Staphylococcus aureus e Streptococcus agalactiae, irá contribuir para um decréscimo dos danos económicos e de saúde pública consequentes da mastite bovina. Apesar dos sistemas de citometria convencional fornecerem resultados rápidos e fiáveis, estes continuam a ser volumosos, o que dificulta a sua portabilidade, além de apresentarem custos relativamente elevados e serem de utilização complexa. Por seu lado, os sensores magnetoresistivos são micro fabricados, podem ser integrados em canais microfluídicos e conseguem detectar células marcadas magneticamente. Os sensores magnetoresistivos utilizados neste trabalho são designados por Spin-Valve, sendo constituídos por uma camada de metal não magnético entre duas camadas de metais magnéticos. Uma das camadas magnéticas apresenta uma magnetização fixa, devido a uma camada antiferromagnética adjacente que lhe fixa a magnetização, enquanto a magnetização da outra camada se encontra livre para rodar. Esta dissertação pretende desenvolver uma plataforma portátil que integra um magnete permanente como fonte de magnetização, vinte e oito sensores magnetoresistivos e microfluídica, tornando possível a detecção e quantificação, de forma dinâmica e em tempo real, de partículas magnéticas e células marcadas magneticamente, utilizando vários sensores. Para tal, utilizou-se como ponto de partida um protótipo já existente no INESC-MN, que embora funcional, apresentava limitações na integração do biochip com a fonte de magnetização das nanopartículas, neste caso um magnete permanente. Como as Spin-Valves são apenas sensíveis a uma direcção no plano, se bem alinhadas na zona de homogeneidade dos campos perpendiculares criados pelo magnete, este não afecta a sensibilidade dos sensores. No entanto, uma pequena inclinação do magnete pode criar componentes de campo magnético no plano do sensor e, por conseguinte, afectar a sua sensibilidade. O magnete utilizado neste trabalho tem dimensões 20x20x3mm3 e um campo magnético residual de 1.2-1.3T. O sistema de microfluídica é composto por quatro canais lineares e individuais com 50 μm de altura, 100 μm de largura e 1 cm de comprimento, alinhados com cada conjunto de sensores. O chip e os microcanais são montados face-a-face e selados através de um processo químico, sendo depois montados e soldados num circuito impresso. Neste caso particular, o biossensor é desenhado para ser capaz de detectar e quantificar pequenas variações de campo magnético causadas pela presença de marcadores superparamagnéticos que são funcionalizados com anticorpos para proteínas de parede celular específicas que estão presentes na superfície das células de interesse. As partículas superparamagnéticas são muito utilizadas neste tipo de aplicações pelo facto de, na ausência de campo magnético externo, apresentarem magnetização nula – estão num estado superparamagnético. Quando um campo magnético externo é aplicado, provoca a magnetização destas partículas conduzindo-as a um estado paramagnético. Uma partícula magnetizada verticalmente, ao fluir no microcanal, gera um campo variável sobre o sensor. Como resultado, um pico bipolar é a assinatura da passagem de uma partícula perpendicularmente magnetizada sobre o sensor. De forma a conseguir obter uma plataforma com as características identificadas acima, foram combinados vários componentes numa única plataforma, através de um processo faseado que incluiu: i) A microfabricação de sensores magnetoresistivos, através de técnicas de fotolitografia, etching e lift-off; ii) A fabricação de um sistema de microfluidica em PDMS; iii) A integração do chip com os microcanais de PDMS através de um processo de ligação químico; iv) desenvolver um estudo sobre os efeitos de campos magnéticos externos sobre os sensores magnetoresistivos devido à presença de magnetes permanentes; v) O desenvolvimento de um módulo com um sensor de efeito de hall, que integrado numa plataforma de scanning permitisse quantificar os campos perpendiculares e longitudinais de magnetes; vi) a optimização do design do biochip de acordo com os dados obtidos; vii) O desenvolvimento de uma plataforma de suporte para a combinação do biochip com o magnete permanente; viii) A medição do momento magnético de um conjunto de partículas magnéticas com diferentes dimensões; ix) A validação experimental da eficiência do magnete permanente na magnetização de nanopartículas magnéticas, através de ensaios experimentais de detecção de nanopartículas de diferentes dimensões. x) O desenvolvimento de um programa de análise e contagem de eventos magnéticos utilizando o software Matlab®; xi) A avaliação experimental da detecção de células marcadas com partículas magnéticas. As medições experimentais foram realizadas utilizando uma plataforma electrónica desenvolvida pelo INESC-ID, há dois anos por um aluno de doutoramento, mostraram que a plataforma já optimizada permite a detecção de nanopartículas magnéticas e células marcadas magneticamente utilizando vários sensores magnetoresistivos, o que não era possível no protótipo anterior. Cinco tipos de partículas magnéticas, com dimensões entre os 2800 nm e os 50 nm, foram testadas nos vários canais. Foram observados picos correspondentes à passagem de partículas magnéticas em todas as amostras, excepto para as partículas com dimensões de 80 nm e 50 nm. Face a estes resultados conclui-se que, provavelmente: - Partículas de menores dimensões não apresentam tendência para formar aglomerados e, partículas individualizadas não têm momento magnético suficiente para serem detectadas; - Ou que a magnetização das partículas pelo magnete permanente é demasiado pequena para induzir um momento magnético significativo nas mesmas. Contudo, como neste caso é importante diminuir a probabilidade de ocorrência de falsos positivos, é relevante que partículas magnéticas que não estejam ligadas às moléculas de interesse não sejam detectadas pelo sensor. Deste modo, determinou-se que, para este sensor, as partículas de 80 nm ou 50 nm são as mais indicadas. Para validação da detecção de células foram realizadas experiências usando amostras de leite com Staphyloccocus spp. cedidas por uma colega do INESC-MN que está a desenvolver o seu trabalho de doutoramento em plataformas portáteis para análises ao leite. Estes testes com amostras biológicas foram realizados no INESC-MN, utilizando culturas de bactérias e protocolos de funcionalização e marcação magnética previamente desenvolvidos no Centro de Investigação Interdisciplinar em Sanidade Animal (CIISA). As células foram marcadas magneticamente com partículas de 50 nm funcionalizadas com o anticorpo monoclonal anti-Staphyloccocus spp. e introduzidas no biochip para os testes de aquisição. Nesta fase foram utilizadas amostras de 500 μL contendo 10000 ufc e 8 x 108 partículas magnéticas funcionalizadas. Foram detectados picos, o que indica a capacidade desta plataforma para a detecção magnética de células marcadas. Para além disso, com o programa de contagem foi possível quantificar o número de eventos magnéticos ocorridos, tendo sido detectados 6063, para um número de colónias de 10000. Os resultados obtidos são bastante promissores, no entanto são necessários ainda estudos futuros para que este citómetro possa quantificar com maior precisão. Nomeadamente, um dos objectivos seria a medição realizada por vários sensores em simultâneo, de forma a obterem-se resultados mais confiáveis e precisos. Para tal, optimizações ao nível da aquisição do sinal, mais propriamente ao nível da plataforma electrónica de aquisição serão necessárias para que seja possível a medição com sensores em paralelo.Over the past decade, the drawbacks of conventional flow cytometers have encouraged efforts in microfabrication technologies and advanced microfluidics systems. Biosensor technology has been in exponentially development as it presents huge advantages when in comparison to traditional detection methods of biomolecules, such as high sensitivity, rapid response and small amount of reagents. Unlike external fluorescent/optical detectors, magnetoresistive (MR) sensors are micro-fabricated, can be integrated within microfluidic channels and can detect magnetically labelled biomolecules. Bovine mastitis is an economic burden for dairy farmers and control measures to prevent mastitis are crucial for dairy company sustainability. The present work describes a platform for dynamic mastitis diagnosis through detection of magnetically labelled cells with a magnetoresistive based cell cytometer, where a permanent magnet is used as magnetic source. A study about the effects of the magnetic fields over the MR sensors was developed in order to be possible to design and engineer a platform integrating the permanent magnet with the chip in such a way that the magnetic fields did not affect the MR sensors behaviour. Overall, assays were performed involving magnetic nanoparticles (MNP) and cells labelled with MNP. These assays were performed with a platform mentioned above, containing a permanent magnet assembled with the chip which was integrated with an electronic platform from INESC-ID, allowing signal acquisition from magnetized nanoparticles. In a very preliminary stage, magnetic particles between 2800 nm and 50 nm were tested flowing through a 100 μm wide, 50 μm high microchannel, with speeds around 50 μL/min being detected. Bipolar and unipolar signals with average amplitude of 15 μV – ~250 μV were observed corresponding to magnetic events. A home-made program to count magnetic events was developed in Matlab®. In particular it is presented an example for the validation of the platform as a magnetic counter that identifies and quantifies Staphylococcus spp. cells magnetically labelled with 50nm particles in a milk sample. In assays using 500 μL of milk sample, cells were detected with signal amplitude of 30 μV – ~200 μV

    Microfluidics and Nanofluidics Handbook

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    The Microfluidics and Nanofluidics Handbook: Two-Volume Set comprehensively captures the cross-disciplinary breadth of the fields of micro- and nanofluidics, which encompass the biological sciences, chemistry, physics and engineering applications. To fill the knowledge gap between engineering and the basic sciences, the editors pulled together key individuals, well known in their respective areas, to author chapters that help graduate students, scientists, and practicing engineers understand the overall area of microfluidics and nanofluidics. Topics covered include Finite Volume Method for Numerical Simulation Lattice Boltzmann Method and Its Applications in Microfluidics Microparticle and Nanoparticle Manipulation Methane Solubility Enhancement in Water Confined to Nanoscale Pores Volume Two: Fabrication, Implementation, and Applications focuses on topics related to experimental and numerical methods. It also covers fabrication and applications in a variety of areas, from aerospace to biological systems. Reflecting the inherent nature of microfluidics and nanofluidics, the book includes as much interdisciplinary knowledge as possible. It provides the fundamental science background for newcomers and advanced techniques and concepts for experienced researchers and professionals

    Microelectromechanical Systems and Devices

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    The advances of microelectromechanical systems (MEMS) and devices have been instrumental in the demonstration of new devices and applications, and even in the creation of new fields of research and development: bioMEMS, actuators, microfluidic devices, RF and optical MEMS. Experience indicates a need for MEMS book covering these materials as well as the most important process steps in bulk micro-machining and modeling. We are very pleased to present this book that contains 18 chapters, written by the experts in the field of MEMS. These chapters are groups into four broad sections of BioMEMS Devices, MEMS characterization and micromachining, RF and Optical MEMS, and MEMS based Actuators. The book starts with the emerging field of bioMEMS, including MEMS coil for retinal prostheses, DNA extraction by micro/bio-fluidics devices and acoustic biosensors. MEMS characterization, micromachining, macromodels, RF and Optical MEMS switches are discussed in next sections. The book concludes with the emphasis on MEMS based actuators

    Fabrication and characterization of a polymeric nanofluidic device for DNA analysis

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    The growing needs for cheaper and faster sequencing of long biopolymers such as DNA and RNA have prompted the development of new technologies. Among the novel techniques for analyzing these biopolymers, an approach using nanochannel based fluidic devices is attractive because it is a label-free, amplification-free, single-molecule method that can be scaled for high-throughput analysis. Despite recent demonstrations of nanochannel based fluidic devices for analyzing physical properties of such biopolymers, most of the devices have been fabricated in inorganic materials such as silicon, silicon nitride and glass using expensive high end nanofabrication techniques such as focused ion beam and electron beam lithography. In order to use the nanochannel based fluidic devices for a variety of bioanalyses, it is imperative to develop a technology for low cost and high through fabrication of such devices and demonstrate the feasibility of the fabricated nanochannel based fluidic devices in obtaining information on biopolymers. We developed a low cost and high throughput method to build polymer-based nanofluidic devices with sub-100 nm nanochannels using direct imprinting into polymer substrates. Imprinting with the polymer stamps showed good replication fidelity for multiple replication processes, preventing damage of the expensive nanopatterned master and reducing undesirable deformation in the molded polymer substrate. This approach opened up a possibility to build cheap and disposable polymer nanofluidic devices for single molecule analysis. The ion transportation and DNA motion in nanofluidic systems were studied. Simulation and experiment results indicate that fast degeneration of the electric field at micro/nano interface plays a major role, in addition to the bulk flow in the microfluidic networks. Inlet structures and bypass microchannels were designed and built, the use of which has proven to enable enhancing the DNA capture rate by over 500 %. Attributed to the improved capture rate, the blockade current of DNA translocation though a nanochannel was also measured. We observed in the current versus time curves both current increase and decrease in the existence of a DNA molecule in the nanochannel, which we attributed to the ion channel blockage and electrical double layer formed around the DNA molecule, respectively
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