Development of a microfluidic device for gaseous formaldehyde sensing = Développement d\u27un dispositif microfluidique pour la détection de formaldéhyde à l\u27état gazeux

Formaldehyd (HCHO) ist eine chemische Verbindung, die bei der Herstellung einer großen Zahl von Haushaltsprodukten verwendet wird.Charakteristisch ist seine hohe Flüchtigkeit aufgrund einer niedrigen Siedetemperatur ($T = - 19\ ℃$). Daher ist HCOH fast überall als Luftschadstoff in Innenräumen vorhanden. Die Miniaturisierung analytischer Systeme zu Handheld-Gerät hat das Potenzial, nicht nur effizientere, sondern auch empfindlichere Instrumente für die Echtzeitüberwachung dieses gefährlichen Luftschadstoffs zu ermöglichen. Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Entwicklung eines Mikrofluidik-Geräts für die Erfassung von HCHO basierend auf der Hantzsch-Reaktion.Hierbei wurde der Schwerpunkt auf die Komponente für Fluoreszenzdetektion gelegt. Es wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die es erlaubt, den Stand der Technik auf dem Gebiet der Miniaturisierung des Fluoreszenzsensors zusammenzufassen. Auf Grund dieser Studie wurde ein modulares Fluoreszenzdetektionskonzept vorgeschlagen, das um einen CMOS-Bildsensor (CIS) herum entwickelt wurde. Zwei dreischichtige Fluidikzellenkonfigurationen (Konfiguration 1: Quarz - SU-8 3050 - Quarz und Konfiguration 2: Silizium - SU-8 3050 - Quarz) wurden in Betracht gezogen und parallel unter den gleichen experimentellen Bedingungen getestet. Die Verfahren der Mikrofabrikation der fluidischen Zellen wurden detailliert beschrieben, einschließlich des Integrationsprozesses der Standardkomponenten und der experimentellen Verfahren. Der CIS-basierte Fluoreszenzdetektor bewies seine Leistungsfähigkeit, eine anfängliche HCHO-Konzentration von 10 µg/L vollständig in 3,5-Diacetyl-1,4-dihydrolutidin (DDL- derivatisiert) sowohl für die Quarz- als auch für die Silizium-Fluidikzellen zu detektieren. Beide Systemewiesenein Abfragevolumen von 3,5 µL auf. Ein offensichtlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wurde für die Silizium-Fluidzelle ($\text{SNR}_{\text{silicon}} = 6.1$) im Vergleich zur Quarz-Fluidzelle ($\text{SNR}_{\text{quartz}} = 4.9$) beobachtet. Die Verstärkung der Signalintensität in der Silizium-Fluidzelle ist wahrscheinlich auf den Silizium-Absorptionskoeffizienten bei der Anregungswellenlänge zurückzuführen,$a\left( \lambda_{\text{abs}} = 420\ nm \right) = 5 \bullet 10^{4}\text{cm}^{- 1}$. Dieser Koeffizient ist ungefähr fünfmal höher als der Absorptionskoeffizient bei der Fluoreszenzemissionswellenlänge $a\left(\lambda_{\text{em}} = 515\ nm \right) = 9.25 \bullet 10^{3}\text{cm}^{- 1}$. HCHO wird aufgrund seiner relativ hohen Konstanten für das Henry-Gesetz sehr schnell in ein flüssiges Reagenz aufgenommen. Somit hängt die Auswahl des molekularen Einfangverfahrens (Schwallströmung, Ringströmung oder membranbasierte Strömungswechselwirkung) von derLeistungsfähigkeit des Fluoreszenzdetektors ab. Ein vorläufiges Konzept, das auf der Verwendung einer Gas-Flüssigkeitsmembran-basierten Wechselwirkung zum ständigen Abfangen des gasförmigen HCHO basiert, wurde eingeführt. Hierzu wurden kompatible Materialien und Herstellungsmethoden identifiziert. Darüber hinaus wurden CFD-Simulationen durchgeführt, um die Mikrokanallänge unter verschiedenen hydrodynamischen Bedingungen abzuschätzen, die für eine vollständige HCHO-Derivatisierung erforderlich sind. Eine Verbesserung und Vereinfachung auf der Grundlage von sehrnempfindlichen Fluoreszenzdetektoren mit niedrigen Detektionsgrenzen könnte zukünftig basierend z. B. auf Schwallströmung oder Ringströmung möglich sein

Prototyping a Miniaturized Microfluidic Sensor for Real-Time Detection of Airborne Formaldehyde

International audienc

Microfluidic sensing of airborne formaldehyde: towards on-chip integration (oral presentation & poster & proceedings with peer review)

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Design, optimization and manufacturing of a miniaturized fluorescence sensing device

International audienceThis work is part of a larger effort to miniaturize a microfluidic formaldehyde sensing device recently developed and commercialized by InAirSolutions Strasbourg 1. The detector is already an innovation in the field being capable to detect continuously formaldehyde concentrations lower than 1 ppb in stabilized conditions and long range campaigns, fulfilling the new imposed regulations in the field of indoor air pollution [1]. The sensing device works in four steps: i) gas sampling, ii) trapping of formaldehyde from air to a liquid reagent, iii) derivatization reaction with acetylacetone solution at 65°C producing a fluorescent compound (DDL), iv) colorimetric detection employing a commercial fluorescence detection system. Apart of increasing significantly the overall price of the system, the commercial fluorescence systems has a large dead volume decreasing the response time of the measurement process and increasing the necessary liquid flow rate. Starting from this current situation, one of the project goals is to develop a cheap miniaturized fluorescence sensing system. Finally, the aim is to develop an ultra-portable formaldehyde sensing device with larger autonomy and shorter response time compared to the current device, using the state of the art in the field of micro-fabrication, opto-fluidics and gas-liquid trapping/contacting. One of the major challenges in field of lab-on-a-chips is the integration of fluorescence optical sensors in ultra-portable, low maintenance, low power consumption, sensitive, reproducible and cheap platforms for small liquid samples sensing. Since the emergence of this field three decades ago, progress has been registered and different integration strategies of the fluorescence optical components have been tested by different research groups. Starting from the latest achievements to our knowledge in this field [2-5], a simple and relatively low-cost fluorescence sensing platform has been designed, 1 http://www.inairsolutions.fr

Recent developments in miniaturized optical systems for continuous fluorescence detection in liquid flows

International audienceMiniaturization of continuous fluorescence detection is a challenging task due to the multiple and sensitive parameters intervening in the process. By analyzing fluorescence sensing architectures proposed during the last two years, this work has the goal to identify some trends in the process of fluorescence miniaturization for in-time liquid detection. A lack of postulated strategies regarding the miniaturization process was observed and this review tries to answer partially to this need. The identified integration strategies excel in fulfilling partially the desired functions of a fully autonomous miniaturized detector and further research is needed in order to develop sensing micro-system being capable to step outside of the lab world

Recent developments in miniaturized optical systems for continuous fluorescence detection in liquid flows

International audienceMiniaturization of continuous fluorescence detection is a challenging task due to the multiple and sensitive parameters intervening in the process. By analyzing fluorescence sensing architectures proposed during the last two years, this work has the goal to identify some trends in the process of fluorescence miniaturization for in-time liquid detection. A lack of postulated strategies regarding the miniaturization process was observed and this review tries to answer partially to this need. The identified integration strategies excel in fulfilling partially the desired functions of a fully autonomous miniaturized detector and further research is needed in order to develop sensing micro-system being capable to step outside of the lab world