Introductory slides to the µ-wetPONG laboratory course on µ-Fluidics and Hybrid games. more on: http://hackteria.org/media/playing-with-life-article-about-wetpong-and-biotic-games/

1. Slide 1Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik

2. Slide 2Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Lab-on-a-ChipLab-on-a-Chip
Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

3. Slide 3Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Ventile – massiv integriertVentile – massiv integriert

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. Slide 5Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Dichte von FlüssigkeitenDichte von Flüssigkeiten
=
m
V

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. Slide 7Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Dynamische ViskositätDynamische Viskosität
1010-2-2
(g * cm(g * cm-1-1
* s* s-1-1
))

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. 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. 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. Slide 11Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Was sind interessante DispersionenWas sind interessante Dispersionen

12. Slide 12Mikrofluidik – FS12 - Introduction
DIY spectrophotometerDIY spectrophotometer

13. Slide 13Mikrofluidik – FS12 - Introduction
DIY spectrophotometerDIY spectrophotometer

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. 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. Slide 16Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Pumpen für Mikrofluidik - mechanischPumpen für Mikrofluidik - mechanisch
SpritzenpumpenSpritzenpumpen

17. Slide 17Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Pumpen für Mikrofluidik - mechanischPumpen für Mikrofluidik - mechanisch
Druck aktivierter FlussDruck aktivierter Fluss

18. Slide 18Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Pumpen für Mikrofluidik - mechanischPumpen für Mikrofluidik - mechanisch

19. Slide 19Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Pumpen für Mikrofluidik - MEMSPumpen für Mikrofluidik - MEMS
Diaphragma PumpeDiaphragma Pumpe
• NanoPump, DebiotechNanoPump, Debiotech
• uA.uA.

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. 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. Slide 22Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Laminar Flow ApplicationsLaminar Flow Applications
Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

23. Slide 23Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Praktische ExperimentePraktische Experimente
Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

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. Slide 25Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Laminarer Fluss?Laminarer Fluss?

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. 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. Slide 28Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Laminarer FlussLaminarer Fluss
http://picasaweb.google.com/albertfolch/EvolvingFluidsMovieshttp://picasaweb.google.com/albertfolch/EvolvingFluidsMovies

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. Slide 30Mikrofluidik – FS12 - Introduction
AnwendungsbeispielAnwendungsbeispiel
Anreicherung von motilen Spermien für die IVFAnreicherung von motilen Spermien für die IVF

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. Slide 32Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Hydrodynamisches FokusierenHydrodynamisches Fokusieren

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. Slide 34Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Kombinatorisches MischenKombinatorisches Mischen

35. Slide 35Mikrofluidik – FS12 - Introduction
3D combinatiorial mixing3D combinatiorial mixing

36. Slide 36Mikrofluidik – FS12 - Introduction
VentileVentile
Passiv
Druck gesteuert

37. Slide 37Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Ventile - integriertVentile - integriert
Aktiv
Zweites Kontrol Netzwerk

38. Slide 38Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Ventile – massiv integriertVentile – massiv integriert

39. Slide 39Mikrofluidik – FS12 - Introduction
ElectrowettingElectrowetting

40. Slide 40Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Kapillarkräfte und OberflächenspannungKapillarkräfte und Oberflächenspannung

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. Slide 42Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Integrierung von PCR und CEIntegrierung von PCR und CE

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. Slide 44Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Marktanalyse von Mikrofluidischen SystemenMarktanalyse von Mikrofluidischen Systemen
BCC Research, Sept. 2006

45. Slide 45Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Mikrofluidik für Life SciencesMikrofluidik für Life Sciences
BCC Research, Sept. 2006

46. Slide 46Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Mikrofluidik für Life SciencesMikrofluidik für Life Sciences
Yole Développement, June 2007

47. Slide 47Mikrofluidik – FS12 - Introduction
SimplicitySimplicity
Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

48. Slide 48Mikrofluidik – FS12 - Introduction
SimplicitySimplicity
Vertiefung MikrofluidikVertiefung Mikrofluidik
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

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. 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. Slide 51Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Paper based MicrofluidicsPaper based Microfluidics
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ac9013989
Vergleich verschiedener MethodenVergleich verschiedener Methoden

52. Slide 52Mikrofluidik – FS12 - Introduction
Diagnostics for AllDiagnostics for All
http://www.dfa.org/

53. Slide 53Mikrofluidik – FS12 - Introduction

54. Slide 54Mikrofluidik – FS12 - Introduction

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. 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. ChipFabChipFab

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

59. Meanwhile...Meanwhile...

60. Meanwhile...Meanwhile...

61. Slide 61Mikrofluidik – FS12 - Introduction