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Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
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1010-2-2
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Mechanischer FlussMechanischer Fluss
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Ventile - integriertVentile - integriert
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Ventile – massiv integriertVentile – massiv integriert
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ElectrowettingElectrowetting
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Kapillarkräfte und OberflächenspannungKapillarkräfte und Oberflächenspannung
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Allgemein: Vor- und NachteileAllgemein: Vor- und Nachteile
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Diagnostics for AllDiagnostics for All
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µ-wetPONGµ-wetPONG
Projektarbeit – µ-wetPONGProjektarbeit – µ-wetPONG
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Orbital ShakerOrbital Shaker
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  4. 4. Slide 4Mikrofluidik – FS12 - Introduction ÜberblickÜberblick 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 FlüssigkeitenDichte von Flüssigkeiten = m V
  6. 6. Slide 6Mikrofluidik – FS12 - Introduction ViskositätViskosität Newton'sche FlüssigkeitenNewton'sche Flüssigkeiten WasserWasser EthanolEthanol Nicht Newton'sche FlüssigkeitenNicht Newton'sche Flüssigkeiten 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 ViskositätDynamische Viskosität 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 Flüssigkeiten sowie GaseFluidik” behandelt Flüssigkeiten sowie Gase • ““Mikro” bedeutet einer der folgenden PunkteMikro” bedeutet einer der folgenden Punkte • Kleine VolumenKleine Volumen • Kleine GrössenKleine Grössen • Geringer EnergiebedarfGeringer Energiebedarf • Spezielle Phänomene aufgrund der LängenskalaSpezielle Phänomene aufgrund der Längenskala
  9. 9. Slide 9Mikrofluidik – FS12 - Introduction Volumen vs. LängeVolumen vs. Länge 1 Liter = dm31 Liter = dm3 1 Milliliter = 1 cm31 Milliliter = 1 cm3 1 Mikroliter = 1 mm31 Mikroliter = 1 mm3 1 Nanoliter = (100 μm)31 Nanoliter = (100 μm)3 1 Pikoliter = (10 μm)31 Pikoliter = (10 μm)3 1 Femtoliter = (1 μm)31 Femtoliter = (1 μm)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 (Lösung)Zwei oder mehr Substanzen, z.B. Methanol in Wasser (Lösung) • DispersionenDispersionen • Allgemein eine Substanz “verteilt” in einer ZweitenAllgemein eine Substanz “verteilt” in einer Zweiten • Eingeteilt nach GrösseEingeteilt nach Grösse • Lösungen (molecules -> intermolecular forces)Lösungen (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
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  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 für Mikrofluidik - mechanischPumpen für Mikrofluidik - mechanisch SpritzenpumpenSpritzenpumpen
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  18. 18. Slide 18Mikrofluidik – FS12 - Introduction Pumpen für Mikrofluidik - mechanischPumpen für Mikrofluidik - mechanisch
  19. 19. Slide 19Mikrofluidik – FS12 - Introduction Pumpen für Mikrofluidik - MEMSPumpen für 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 Oberflächen (Glass)Geladene nicht-leitende Oberflächen (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 Phänomene aufgrund der GrösseSpezielle Phänomene aufgrund der Grösse Laminarer FlussLaminarer Fluss KapillarkräfteKapillarkräfte OberflächenspannungOberflächenspannung 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 führt zu turbulentem Fluss2300 < Re führt zu turbulentem Fluss 2000 < Re < 3000 transitionaler Fluss2000 < Re < 3000 transitionaler Fluss Re < 2000 führt zu laminarem FlussRe < 2000 führt zu laminarem Fluss R e = ∗d∗ 
  27. 27. Slide 27Mikrofluidik – FS12 - Introduction Reynold's NummerReynold's Nummer Für runde Querschnitte giltFür runde Querschnitte gilt Für nicht runde Querschnitte giltFür nicht runde Querschnitte gilt R e = ∗Dh∗  Dh= 4∗A Pwet R e = ∗d∗  A = Fläche 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 MolekülenTrennung von kleinen Molekülen 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=2∗D∗t  0.5 tcross= W 2 8∗D j=−D ∂ c ∂ x
  30. 30. Slide 30Mikrofluidik – FS12 - Introduction AnwendungsbeispielAnwendungsbeispiel Anreicherung von motilen Spermien für die IVFAnreicherung von motilen Spermien für die IVF
  31. 31. Slide 31Mikrofluidik – FS12 - Introduction Hydrodynamisches FokusierenHydrodynamisches Fokusieren Laminarer Fluss erlaubt das fokusierenLaminarer Fluss erlaubt das fokusieren und steuern einer Flüssikkeitund steuern einer Flüssikkeit
  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 erwünschte Reaktionen von zwei Reagenzienerwünschte Reaktionen von zwei Reagenzien bestimmte Mischverhältnissebestimmte Mischverhältnisse LösungenLösungen Oberflächenstrukturen (Ripples)Oberflächenstrukturen (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 Kapillarkräfte und OberflächenspannungKapillarkräfte und Oberflächenspannung
  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 für Life SciencesMikrofluidik für Life Sciences BCC Research, Sept. 2006
  46. 46. Slide 46Mikrofluidik – FS12 - Introduction Mikrofluidik für Life SciencesMikrofluidik für Life Sciences Yole Développement, 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 µ-wetPONGµ-wetPONG Projektarbeit – µ-wetPONGProjektarbeit – µ-wetPONG Einführung in die Praktische ArbeitEinführung 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 µFluidics DiagnosticsProjekt 1 | Paper µFluidics Diagnostics • Projekt 2 | Worm Chips IIProjekt 2 | Worm Chips II • Projekt 3 | FlexPrint/PhotoResist µFluidicsProjekt 3 | FlexPrint/PhotoResist µFluidics • Projekt 4 | Maizena ManiaProjekt 4 | Maizena Mania • Projekt 5 | Aschenbrödel FluidicsProjekt 5 | Aschenbrödel 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
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