Mikkelsen, Morten Bo Lindholm

Denne Ph.D.-afhandling omhandler brugen af sol-gel-materialer i optofluide systemer samtfysikken af DNA molekyler fanget i nanokanaler.Sol-gel-materiale dannes ved polymerisering af separate molekyler til en gel, hvilketmuliggør kontrol af materialets kemiske sammensætning og porøsitet. Tidligt i geleringsprocessenkan tynde gel-film nanostruktureres ved prægning af overfladen med et stempel,og rent inorganiske silika materialer kan opnås ved efterfølgende termisk behandling afden prægede film. Sol-gel-processering udgør derved en unik metode til nanofabrikationaf silikamaterialer med specielle egenskaber.I denne afhandling introduceres sol-gel-silika som en ny materialeklasse til fremstillingaf lab-on-a-chip-systemer til brug for DNA-analyse. En prægeproces blev udviklet, i hvilkenet ikke-permeabelt silicium-stempel muliggjorde fabrikation af væskekanaler i mikroognanostørrelse i et enkelt procestrin, uden brug af høj-vakuum-teknikker. Kanalernelukkedes ved at fusions-bonde et glaslåg til den prægede overflade, og anvendeligheden afden fremstillede chip blev demonstreret ved at udføre længdemålinger på DNA-molekylerfanget i de prægede nanokanaler.Desuden blev dynamikken af lineære og cirkulære DNA-molekyler i trykdrevet væskeflowstuderet i en lav nanokanal med tværgående nanoriller. I denne geometri foregårtransporten af molekyler i to tilstande: En langsom, trinvis rille-til-rille bevægelse, kaldet’sidewinder’, og en hurtig, uafbrudt tumlende bevægelse over rillerne, kaldet ’tumbleweed’.Dynamiske skift mellem disse to tilstande får DNA-molekylerne til at udvise både længdeogtopologiafhængige hastigheder, som kan bruges til separering.Ved brug af latex-partikler, som er mindre end bølgelængden af lys, kan der skabes endesignet porøsitet i et sol-gel-silikamateriale, således at det effektive brydningsindeks afmaterialet kan tunes. Ved prægning af dette materiale med et nanostruktureret stempelblev et diffraktionsgitter med et brydningsindeks på 1,33 fremstillet. Dette gitter blevanvendt til at demonstrere rekonfigurering af en optisk funktionel overfladestruktur vedelektroforese af ladede latex-nanopartikler. Foreløbige resultater viste 22 dB moduleringaf intensiteten af første diffraktionsorden.Sol-gel-materiale blev også benyttet som permeablet fast stof til fastholdelse af analytfølsomefarvestofmolekyler for derved at danne et sensormateriale til brug i reagensbaseredeoptiske sensorsystemer. Ved brug af hemiwicking blev en metode udviklet til atsprede det flydende sensormateriale i et ensartet lag i et veldefineret område på en overflade.Denne metode forsimpler fremstillingen af integrerede optiske sensorer i engangslaboratorieudstyr.This Ph.D. thesis is concerned with the use of sol-gel materials in optofluidic applicationsand the physics of DNA molecules in nanoconfinement.The bottom-up formation of solid material, which is provided by the sol-gel process,enables control of the chemical composition and porosity of the material. At early stagesof gelation, thin gel coatings can be structured by nanoimprint lithography, and purelyinorganic silica materials can be obtained by subsequent thermal annealing. The sol-gelprocess thus constitutes a unique method for nanofabrication of silica materials of specialproperties.In this work, sol-gel silica is introduced as a new material class for the fabrication oflab-on-a-chip devices for DNA analysis. An imprint process with a rigid, non-permeablestamp was developed, which enabled fabrication of micro- and nanofluidic silica channelsin a single process step without use of any high-vacuum techniques. Sealing of the channelswas performed by fusion bonding of a glass cover slip to the imprinted surface, and theapplicability of the device was demonstrated by sizing experiments on DNA moleculesconfined in the imprinted nanochannels.In addition, in a fused silica device, the dynamics of linear and circular DNA moleculeswas studied under pressure driven flow in a slit channel with arrays of transverse nanogrooves.In the nanogroove geometry, transport occurs through two states of propagation: a slow,stepwise groove-to-groove translation called the ’sidewinder’ and a fast, continuous tumblingacross the grooves called the ’tumbleweed’. Dynamical transitions between the twostates cause DNA molecules to exhibit both size- and topology-dependent velocities thatmay be utilized for separation.By templating the porosity of sol-gel silica with sub-wavelength latex particles, tuningof the effective refractive index of the material was enabled. Using nanoimprint lithography,a diffraction grating with refractive index of 1.33 was fabricated. This low-indexgrating was used to demonstrate reconfigurability of an optically functional surface topographyby electrophoretic actuation of charged latex nanoparticles. Preliminary resultsshowed 22 dB modulation of the intensity of the first diffraction order.Sol-gel material was also used as a permeable solid matrix for immobilization ofanalyte-sensitive dye molecules, thus constituting a sensor material for use in reagentbasedoptical sensing systems. Using the principle of hemiwicking, a method that enablesdeposition of the liquid sensor material in a homogeneous layer on a well-defined region of asurface was developed. The method simplifies the fabrication of optical sensors integratedin disposable lab ware

Online Research Database In Technology

Sol-gel materials for optofluidics - process and applications

http://orbit.dtu.dk/ws/files/7783189/prod21334742911389.PhD_thesis_MBLM.pdf

Sol-gel materials for optofluidics - process and applications

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology