Buchegger, W. (2012). Microfluidic mixing devices for fast optical analysis of liquids [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161107
Um Zeitabläufe von chemischen Reaktionen untersuchen zu können ist eine vollständige und gleichmäßige Mischung der Reagenzien eine Grundvoraussetzung. Im Vergleich zu kommerziellen makro Mischsystemen, herrschen im Mikrometerbereich andere Systemvoraussetzungen. Die Herausforderung im Design von Mikromischern besteht darin, diese besonderen Effekte zum Vorteil des Mischprozesses zu nutzen. Diese Dissertation beschreibt das Design neuartiger mikrofluidischer Chips für die Untersuchung von Flüssigkeiten mithilfe verschiedener optischer Analysetechniken. Neue Design Strukturen werden numerisch simuliert und evaluiert bevor sie mithilfe von Waferprozessen hergestellt werden. Messungen zur Charakterisierung der Chips werden im Vorfeld zur Leistungsanalyse und Überprüfung der Funktionalität ausgeführt, bevor biologische Experimente untersucht werden um die Anwendungsmöglichkeiten zu verdeutlichen. Ein mikrofluidischer Durchflusschip, der molekulare Diffusion für das Mischen zweier Flüssigkeiten verwendet wird vorgestellt. Die Anwendung multilaminarer Fluid-Schichten ermöglicht eine Reduzierung der Diffusionslänge auf wenige Mikrometer. Die Kombination dieser Fluidschichten mit einer geometrischen Optimierung der Einlasskanäle, führt zur Bildung von homogenen Flüssigkeitsschichten in weiten Bereichen des Mischkanals. Dadurch, sind Mischzeiten im Millisekundenbereich möglich. Die Bildung der Fluidschichten ist durch konfokale Laser-Mikroskopie, unterstützt durch eine Software Auswertung validiert. Der Mischprozess ist durch ein Farbexperiment charakterisiert worden und erlaubt die Bestimmung von Mischzeiten im unteren Millisekundenbereich. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien bei der Herstellung der mikrofluidischen Chips ermöglicht die Anwendung verschiedener spektraler Analyseverfahren. Der Mischkanal, mit einer Dicke von 8µm, kann trotz der hohen infrarot Absorption von wässrigen Lösungen, mit Infrarotstrahlung durchleuchtet werden, wodurch die Analyse mittels zeitaufgelöster Infrarot-Spektrometrie möglich ist. Durch die Herstellung von Mischern mit verschiedenen Kanalhöhen, kann die Signalintensität für spezifische Anwendungen optimiert werden, sodass der Chip auch für Messungen mit Raman Spektroskopie einsetzbar ist. Verdeutlicht wird die Anwendbarkeit dieser Messmethode durch die Analyse von Zuckerlösungen. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz des Mikromischers als schneller Bioreaktor, worin biochemische Prozesse kontrolliert ablaufen. Dies wird durch eine enzymatische Reaktion demonstriert, die mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht wird. Das mikrofluidische Regime erlaubt des Weiteren die Bildung von hoch monodispersen Flüssigkeitstropfen. Solche Mikrotropfen können als isolierte Reaktoren gesehen werden, die individuell am Chip kontrolliert werden. Zwei Mikrostrukturen, welche die Bildung dieser Tropfen ermöglichen wurden durch Simulationen und, nach deren Herstellung, durch Messungen von gebildeten Wasser in Öl Tropfen evaluiert. Ein weiterentwickelter Mikrofluidikchip, ermöglicht eine passive Führung und Einfangmöglichkeit von Tropfen auf dem Chip. Zwei verschiedene Möglichkeiten des Betriebes werden mit Wasser in Öl Tropfen gezeigt. In einer abschließenden Messung finden die Tropfen Einsatz als Bioreaktoren für eine Enzymreaktion, welche mittels Raman Spektroskopie analysiert wird. In dieser Studie finden zwei verschiedene Herstellungsprozesse Anwendung. Eine schnelle und kostengünstige Methode, die für Herstellung von Prototypen geeignet ist wird vorgestellt. Für die Produktion von komplexen Chip-Strukturen, mit der Möglichkeit einer Integrierung von Sensoren, wird eine präzise und genau kontrollierbare Methode aus der Silizium Technologie angewendet.
For the temporal investigation of chemical reactions a proper mixing of reagents is a prime requirement. Compared to macroscale devices, mixing in microscale underlies a series of new physical effects. The challenge in the design of micromixers is to bring these effects to a beneficial result. The main theme of this thesis is the design of unique microfluidic chips for the investigation of liquids by different analysis techniques. Unique design ideas are evaluated by numerical simulation tools before the realization of the device. Characterization measurements precede experiments with biological samples validating the functional principle and the performance of the proposed microfluidic systems. A continuous flow device, utilizing molecular diffusion for mixing of two liquids, is presented. A multilaminar flow approach is followed to reduce the diffusion length and hence, the mixing time. The combination of multiple fluid layers with an optimized inlet geometry enables the formation of highly uniform fluid layers over the main part of the channel. Thereby, mixing times in the low millisecond range are possible. The micromixer is characterized by a coloration experiment and confocal laser-scanning microscopy supported by software evaluation. Using different materials for fabrication allows the utilization of different optical and spectral analysis techniques. The mixing channel with a height of 8 µm allows the investigation of aqueous solutions by time resolved infrared spectroscopy, despite the high absorption characteristics of water in the infrared region. Design variations with different channel heights allow to optimize the signal intensity for certain applications so that the device is also applicable for Raman spectroscopic measurements. To highlight the feasibility of using the device as fast bioreactor, an enzymatic reaction is investigated by fluorescence microscopy. The microfluidic flow regime allows the generation of highly monodisperse fluidic microdroplets. Such droplets can be applied as isolated microreactors that can be individually controlled on chip. Two design structures that allow the formation of microdroplets are evaluated by simulations and measurements, by forming water in oil droplets. An improved design with special chip structures, that allow a passive guiding and trapping of microdroplets on chip, is investigated subsequently. In a final measurement, this chip is used as bioreactor for an enzymatic reaction, which is analyzed by Raman spectroscopy. This highlights the possibility of long term investigation of (bio-)chemical samples in a confined microenvironment. In this study, two fabrication techniques are presented. A fast and cheap method that can be used for proof-of-concept devices is presented. For the realization of complicated chip structures, a precise and highly reproducible method, based on silicon micromachining technique, is required.
