1. 1. Slide 1Mikrofluidik FS12 - Introduction Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
2. 2. Slide 2Mikrofluidik FS12 - Introduction Lab-on-a-ChipLab-on-a-Chip Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
3. 3. Slide 3Mikrofluidik FS12 - Introduction Ventile massiv integriertVentile massiv integriert
4. 4. Slide 4Mikrofluidik FS12 - Introduction berblickberblick Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik Physikalische GrundlagenPhysikalische Grundlagen FlussverhaltenFlussverhalten MischenMischen VentileVentile PDMSPDMS Chemische und physikalische EigenschaftenChemische und physikalische Eigenschaften RechenbeispieleRechenbeispiele
5. 5. Slide 5Mikrofluidik FS12 - Introduction Dichte von FlssigkeitenDichte von Flssigkeiten = m V
6. 6. Slide 6Mikrofluidik FS12 - Introduction ViskosittViskositt Newton'sche FlssigkeitenNewton'sche Flssigkeiten WasserWasser EthanolEthanol Nicht Newton'sche FlssigkeitenNicht Newton'sche Flssigkeiten KetchupKetchup BlutBlut SuspensionenSuspensionen MaizenaMaizena Creeping OobleckCreeping Oobleck http://www.youtube.com/watch?v=Yp1wUodQgqQhttp://www.youtube.com/watch?v=Yp1wUodQgqQ Creature in the Sonic LiquidCreature in the Sonic Liquid http://www.youtube.com/watch?v=Yw4qklgNIxIhttp://www.youtube.com/watch?v=Yw4qklgNIxI A pool filled with non-newtonian fluidA pool filled with non-newtonian fluid http://www.youtube.com/watch?v=f2XQ97XHjVwhttp://www.youtube.com/watch?v=f2XQ97XHjVw Cornstarch ScienceCornstarch Science http://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oEhttp://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oE = F / A /l
7. 7. Slide 7Mikrofluidik FS12 - Introduction Dynamische ViskosittDynamische Viskositt 1010-2-2 (g * cm(g * cm-1-1 * s* s-1-1 ))
8. 8. Slide 8Mikrofluidik FS12 - Introduction Was ist MikrofluidikWas ist Mikrofluidik Fluidik behandelt Flssigkeiten sowie GaseFluidik behandelt Flssigkeiten sowie Gase Mikro bedeutet einer der folgenden PunkteMikro bedeutet einer der folgenden Punkte Kleine VolumenKleine Volumen Kleine GrssenKleine Grssen Geringer EnergiebedarfGeringer Energiebedarf Spezielle Phnomene aufgrund der LngenskalaSpezielle Phnomene aufgrund der Lngenskala
9. 9. Slide 9Mikrofluidik FS12 - Introduction Volumen vs. LngeVolumen vs. Lnge 1 Liter = dm31 Liter = dm3 1 Milliliter = 1 cm31 Milliliter = 1 cm3 1 Mikroliter = 1 mm31 Mikroliter = 1 mm3 1 Nanoliter = (100 m)31 Nanoliter = (100 m)3 1 Pikoliter = (10 m)31 Pikoliter = (10 m)3 1 Femtoliter = (1 m)31 Femtoliter = (1 m)3
10. 10. Slide 10Mikrofluidik FS12 - Introduction Einteilung von FluidenEinteilung von Fluiden Reine SubstanzenReine Substanzen Wasser, Methanol, Wasser, Methanol, MischungenMischungen Zwei oder mehr Substanzen, z.B. Methanol in Wasser (Lsung)Zwei oder mehr Substanzen, z.B. Methanol in Wasser (Lsung) DispersionenDispersionen Allgemein eine Substanz verteilt in einer ZweitenAllgemein eine Substanz verteilt in einer Zweiten Eingeteilt nach GrsseEingeteilt nach Grsse Lsungen (molecules -> intermolecular forces)Lsungen (molecules -> intermolecular forces) Kolloide (nanoparticles -> Brownian motion)Kolloide (nanoparticles -> Brownian motion) Suspensionen (microparticles -> hydrodynamics)Suspensionen (microparticles -> hydrodynamics)
11. 11. Slide 11Mikrofluidik FS12 - Introduction Was sind interessante DispersionenWas sind interessante Dispersionen
12. 12. Slide 12Mikrofluidik FS12 - Introduction DIY spectrophotometerDIY spectrophotometer
13. 13. Slide 13Mikrofluidik FS12 - Introduction DIY spectrophotometerDIY spectrophotometer
14. 14. Slide 14Mikrofluidik FS12 - Introduction Druck in Mikrofluidischen SystemenDruck in Mikrofluidischen Systemen However, since these channels are not closed systems, but have inletsHowever, since these channels are not closed systems, but have inlets and outlets, any pressure difference induced externally at theseand outlets, any pressure difference induced externally at these openings is transmitted to every point in the liquid, thereby inducingopenings is transmitted to every point in the liquid, thereby inducing the liquid to flow.the liquid to flow.
15. 15. Slide 15Mikrofluidik FS12 - Introduction PumpenPumpen Mechanischer FlussMechanischer Fluss SchwerkraftSchwerkraft KapillarkraftKapillarkraft Spritzen, LinearmotorSpritzen, Linearmotor PeristaltischPeristaltisch MEMS Diaphragma Pumpe (Debiotech)MEMS Diaphragma Pumpe (Debiotech) etc..etc.. Elektroosmotischer FlussElektroosmotischer Fluss
16. 16. Slide 16Mikrofluidik FS12 - Introduction Pumpen fr Mikrofluidik - mechanischPumpen fr Mikrofluidik - mechanisch SpritzenpumpenSpritzenpumpen
17. 17. Slide 17Mikrofluidik FS12 - Introduction Pumpen fr Mikrofluidik - mechanischPumpen fr Mikrofluidik - mechanisch Druck aktivierter FlussDruck aktivierter Fluss
18. 18. Slide 18Mikrofluidik FS12 - Introduction Pumpen fr Mikrofluidik - mechanischPumpen fr Mikrofluidik - mechanisch
19. 19. Slide 19Mikrofluidik FS12 - Introduction Pumpen fr Mikrofluidik - MEMSPumpen fr Mikrofluidik - MEMS Diaphragma PumpeDiaphragma Pumpe NanoPump, DebiotechNanoPump, Debiotech uA.uA.
20. 20. Slide 20Mikrofluidik FS12 - Introduction Elektroosmotischer Fluss (EOF)Elektroosmotischer Fluss (EOF) BedingungenBedingungen Hohe Spannungen > kVHohe Spannungen > kV Geladene nicht-leitende Oberflchen (Glass)Geladene nicht-leitende Oberflchen (Glass) Ionen im FluidIonen im Fluid AnwendungAnwendung Kappilar Elektrophorese (CE)Kappilar Elektrophorese (CE)
21. 21. Slide 21Mikrofluidik FS12 - Introduction GeschwindigkeitsprofileGeschwindigkeitsprofile Mechanischer Fluss (A) Hagen-PoiseuilleMechanischer Fluss (A) Hagen-Poiseuille Elektroosmotischer Fluss (B)Elektroosmotischer Fluss (B) A B Dispersion A
22. 22. Slide 22Mikrofluidik FS12 - Introduction Laminar Flow ApplicationsLaminar Flow Applications Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
23. 23. Slide 23Mikrofluidik FS12 - Introduction Praktische ExperimentePraktische Experimente Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
24. 24. Slide 24Mikrofluidik FS12 - Introduction Spezielle Phnomene aufgrund der GrsseSpezielle Phnomene aufgrund der Grsse Laminarer FlussLaminarer Fluss KapillarkrfteKapillarkrfte OberflchenspannungOberflchenspannung Elektro wettingElektro wetting uA.uA.
25. 25. Slide 25Mikrofluidik FS12 - Introduction Laminarer Fluss?Laminarer Fluss?
26. 26. Slide 26Mikrofluidik FS12 - Introduction Reynold's NummerReynold's Nummer Re = Reynold's NumberRe = Reynold's Number 2300 < Re fhrt zu turbulentem Fluss2300 < Re fhrt zu turbulentem Fluss 2000 < Re < 3000 transitionaler Fluss2000 < Re < 3000 transitionaler Fluss Re < 2000 fhrt zu laminarem FlussRe < 2000 fhrt zu laminarem Fluss R e = d
27. 27. Slide 27Mikrofluidik FS12 - Introduction Reynold's NummerReynold's Nummer Fr runde Querschnitte giltFr runde Querschnitte gilt Fr nicht runde Querschnitte giltFr nicht runde Querschnitte gilt R e = Dh Dh= 4A Pwet R e = d A = Flche P = benetzer Umfang d = Durchmesser
28. 28. Slide 28Mikrofluidik FS12 - Introduction Laminarer FlussLaminarer Fluss http://picasaweb.google.com/albertfolch/EvolvingFluidsMovieshttp://picasaweb.google.com/albertfolch/EvolvingFluidsMovies
29. 29. Slide 29Mikrofluidik FS12 - Introduction Laminarer Fluss Diffusion, H-FilterLaminarer Fluss Diffusion, H-Filter Laminarer Fluss und DiffusionLaminarer Fluss und Diffusion Trennung von kleinen MoleklenTrennung von kleinen Moleklen Trennung von aktiven SpermienTrennung von aktiven Spermien Langsame DurchmischungLangsame Durchmischung DiffusionDiffusion Einstein-SmulochovskiEinstein-Smulochovski In H FilterIn H Filter Fick'sches GesetzFick'sches Gesetz x=2Dt 0.5 tcross= W 2 8D j=D c x
30. 30. Slide 30Mikrofluidik FS12 - Introduction AnwendungsbeispielAnwendungsbeispiel Anreicherung von motilen Spermien fr die IVFAnreicherung von motilen Spermien fr die IVF
31. 31. Slide 31Mikrofluidik FS12 - Introduction Hydrodynamisches FokusierenHydrodynamisches Fokusieren Laminarer Fluss erlaubt das fokusierenLaminarer Fluss erlaubt das fokusieren und steuern einer Flssikkeitund steuern einer Flssikkeit
32. 32. Slide 32Mikrofluidik FS12 - Introduction Hydrodynamisches FokusierenHydrodynamisches Fokusieren
33. 33. Slide 33Mikrofluidik FS12 - Introduction MischenMischen Mischen kann auch zum Problem werden in einem MikrofluidiksystemMischen kann auch zum Problem werden in einem Mikrofluidiksystem erwnschte Reaktionen von zwei Reagenzienerwnschte Reaktionen von zwei Reagenzien bestimmte Mischverhltnissebestimmte Mischverhltnisse LsungenLsungen Oberflchenstrukturen (Ripples)Oberflchenstrukturen (Ripples) Kurven (combinatorial mixing)Kurven (combinatorial mixing)
34. 34. Slide 34Mikrofluidik FS12 - Introduction Kombinatorisches MischenKombinatorisches Mischen
35. 35. Slide 35Mikrofluidik FS12 - Introduction 3D combinatiorial mixing3D combinatiorial mixing
36. 36. Slide 36Mikrofluidik FS12 - Introduction VentileVentile Passiv Druck gesteuert
37. 37. Slide 37Mikrofluidik FS12 - Introduction Ventile - integriertVentile - integriert Aktiv Zweites Kontrol Netzwerk
38. 38. Slide 38Mikrofluidik FS12 - Introduction Ventile massiv integriertVentile massiv integriert
39. 39. Slide 39Mikrofluidik FS12 - Introduction ElectrowettingElectrowetting
40. 40. Slide 40Mikrofluidik FS12 - Introduction Kapillarkrfte und OberflchenspannungKapillarkrfte und Oberflchenspannung
41. 41. Slide 41Mikrofluidik FS12 - Introduction Allgemein: Vor- und NachteileAllgemein: Vor- und Nachteile VorteileVorteile Small VolumeSmall Volume low reagent consumption (lower cost)low reagent consumption (lower cost) less analyte (less invasive, but tests must be more sensitive)less analyte (less invasive, but tests must be more sensitive) Small diffusion distances, high surface/volume ratioSmall diffusion distances, high surface/volume ratio short analysis timeshort analysis time higher sensitivityhigher sensitivity Compact systemsCompact systems parallelizationparallelization point-of-care devicespoint-of-care devices Integrated, closed systemsIntegrated, closed systems low personal costslow personal costs less contaminationless contamination NachteileNachteile Transfer of samples into microsystemsTransfer of samples into microsystems Integrated sample preparationIntegrated sample preparation Production costs for disposables, PackagingProduction costs for disposables, Packaging Verification with real samplesVerification with real samples Acceptance by end usersAcceptance by end users
42. 42. Slide 42Mikrofluidik FS12 - Introduction Integrierung von PCR und CEIntegrierung von PCR und CE
43. 43. Slide 43Mikrofluidik FS12 - Introduction Marktanalyse von Mikrofluidischen SystemenMarktanalyse von Mikrofluidischen Systemen Life Sciences (Bio-MEMS)Life Sciences (Bio-MEMS) Biotech, Medicine, Pharma, Environment, FoodBiotech, Medicine, Pharma, Environment, Food Chemical Process EngineeringChemical Process Engineering Microreactors, Micro mixers, Heat exchangers, Micro dispensersMicroreactors, Micro mixers, Heat exchangers, Micro dispensers Power/propulsion systemsPower/propulsion systems Fuel cells, Micro combustors, Fuel processors, Fluidic microthrustersFuel cells, Micro combustors, Fuel processors, Fluidic microthrusters PrintingPrinting Inkjet-printersInkjet-printers PneumaticsPneumatics Miniaturized pneumatic systemsMiniaturized pneumatic systems
44. 44. Slide 44Mikrofluidik FS12 - Introduction Marktanalyse von Mikrofluidischen SystemenMarktanalyse von Mikrofluidischen Systemen BCC Research, Sept. 2006
45. 45. Slide 45Mikrofluidik FS12 - Introduction Mikrofluidik fr Life SciencesMikrofluidik fr Life Sciences BCC Research, Sept. 2006
46. 46. Slide 46Mikrofluidik FS12 - Introduction Mikrofluidik fr Life SciencesMikrofluidik fr Life Sciences Yole Dveloppement, June 2007
47. 47. Slide 47Mikrofluidik FS12 - Introduction SimplicitySimplicity Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
48. 48. Slide 48Mikrofluidik FS12 - Introduction SimplicitySimplicity Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
49. 49. Slide 49Mikrofluidik FS12 - Introduction Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ac9013989 Figure 1. A) Schematic of a paper-based microfluidic channel. The channel comprises a porous matrix of hydrophilic cellulose fibers that wick fluids along the path defined by the channel. The sides of the channel are bounded by hydrophobic barriers, and the top and bottom of the channel are open to atmosphere. The height of the channel is defined by the thickness of the paper. The resolution of the hydrophobic barriers is defined by the method of patterning. B) Photolithography on paper requires six steps and produces well-defined hydrophobic barriers of photoresist that extend through the thickness of the paper. C) An example of a device fabricated by photolithography with a central channel that wicks fluids into three independent test zones. D) Wax printing requires two steps and produces hydrophobic barriers of wax that extend through the thickness of the paper. When the paper is heated, the wax melts and spreads both vertically and laterally into the paper. The vertical spreading creates the hydrophobic barrier. The lateral spreading lowers the resolution of the method and produces barriers that are much larger than the original printed pattern. E) An example of a device fabricated by wax printing with a central channel that wicks fluids into three independent test zones.
50. 50. Slide 50Mikrofluidik FS12 - Introduction Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics Figure 2. Devices fabricated by A) photolithography detecting glucose and protein. (adapted from ref. 7); B) plotting detecting glucose and protein (adapted from ref. 30); C) inkjet etching measuring protein, pH, and glucose (adapted from ref. 31); D) plasma etching detecting alkaline phosphatase (adapted from ref. 32); E) cutting detecting protein and glucose (adapted from ref. 29); F) wax printing detecting protein, cholesterol, and glucose (adapted from ref. 34). All the devices are shown on the same size scale except for image B, which is scaled down by 50% compared to the other images. http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ac9013989
51. 51. Slide 51Mikrofluidik FS12 - Introduction Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ac9013989 Vergleich verschiedener MethodenVergleich verschiedener Methoden
52. 52. Slide 52Mikrofluidik FS12 - Introduction Diagnostics for AllDiagnostics for All http://www.dfa.org/
53. 53. Slide 53Mikrofluidik FS12 - Introduction
54. 54. Slide 54Mikrofluidik FS12 - Introduction
55. 55. Slide 55Mikrofluidik FS12 - Introduction -wetPONG-wetPONG Projektarbeit -wetPONGProjektarbeit -wetPONG Einfhrung in die Praktische ArbeitEinfhrung in die Praktische Arbeit Herstellen eines PrototypHerstellen eines Prototyp Test und AuwertungTest und Auwertung Dokumentation auf dem mis_wikiDokumentation auf dem mis_wiki LinksLinks http://wetpong.nethttp://wetpong.net Tennis for twoTennis for two http://www.youtube.com/watch?v=s2E9iSQfGdghttp://www.youtube.com/watch?v=s2E9iSQfGdg BioPONGBioPONG http://www.youtube.com/watch?v=R6HY4-0vZsEhttp://www.youtube.com/watch?v=R6HY4-0vZsE LED SheepLED Sheep http://www.youtube.com/watch?v=D2FX9rviEhwhttp://www.youtube.com/watch?v=D2FX9rviEhw Atari PONG 1972 Tennis for Two 1958 BioPong 2006
56. 56. Orbital ShakerOrbital Shaker Cheap PCR thermocycler from hacked hairdryer // in progress...Cheap PCR thermocycler from hacked hairdryer // in progress... Bengt Sjolen (SE), Mac Cowell (US), Sachiko HirosueBengt Sjolen (SE), Mac Cowell (US), Sachiko Hirosue (JP/CH)(JP/CH)
57. 57. ChipFabChipFab
58. 58. All Projects online on WikiAll Projects online on Wiki Projekt 1 | Paper Fluidics DiagnosticsProjekt 1 | Paper Fluidics Diagnostics Projekt 2 | Worm Chips IIProjekt 2 | Worm Chips II Projekt 3 | FlexPrint/PhotoResist FluidicsProjekt 3 | FlexPrint/PhotoResist Fluidics Projekt 4 | Maizena ManiaProjekt 4 | Maizena Mania Projekt 5 | Aschenbrdel FluidicsProjekt 5 | Aschenbrdel Fluidics http://www.dusseiller.ch/mis_wiki/index.php?title=%CE%9C-wetPONGhttp://www.dusseiller.ch/mis_wiki/index.php?title=%CE%9C-wetPONG FHNW, School for Life Sciences, MuttenzFHNW, School for Life Sciences, Muttenz
59. 59. Meanwhile...Meanwhile...
60. 60. Meanwhile...Meanwhile...
61. 61. Slide 61Mikrofluidik FS12 - Introduction