Development of a fluorescent based flow cytometric sensor system

Abstract

Diese Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung und Produktion eines opto-fluidischen Durchfluss Sensors zur Analyse von Partikeln im Mikrometer-Bereich. Die Entwicklung basiert auf früheren Untersuchungen von M. Rosenauer. Der verwendete standard-lithographische Produktions-Prozess mit SU-8 Epoxid auf einem Silizium Wafer garantiert gut kontrollierbare Abläufe.<br />In vielen Durchfluss Sensoren für die Zellanalyse spielt die genaue Kontrolle der Flusseigenschaften eine große Rolle. Für Einzel-Zellanalysen ist eine kleine hydrodynamische Fokussierung, die Partikel nacheinander aufreiht, Voraussetzung. Daher wurden verschiedene Chipentwürfe untersucht um einen reproduzierbaren Fluss von geordneten Partikeln zu gewährleisten. Vier Flüssigkeits-Einlässe ermöglichen es, eine Flüssigkeitsprobe dreidimensional zu umhüllen und in dem Flusskanal beliebig zu positionieren. Alle theoretischen Ansätze wurden durch finiten Elemente Simulationen mit COMSOL Multiphysics überprüft und bestätigt. Die Gültigkeit des Simulationsmodells wurde duch Ergebnisse von Experimenten bestätigt.<br />Ein optisches Messsystem mit einer Laserlicht-Quelle diente zur Detektion von Partikeln. Dabei wurde die Lichtkopplung zum und vom Chip durch optische Glasfasern gewährleistet. Um die Effizienz des Lasers zu erhöhen wurde das Laserlicht mit einer integrierten Mikrolinse fokussiert. Zwei verschiedene Linsen-Konzepte wurden mit der Software ZEMAX, welche für die Entwicklung von optischen Systemen verwendet wird, simuliert. Eine der Mikrolinsen bietet die Möglichkeit den Fokuspunkt der Linse zu ändern indem man sie mit verschiedenen Medien befüllt.<br />Dadurch konnte die Empfindlichkeit der optischen Detektion erhöht werden. Das Prinzip der Verschiebung des Fokuspunktes wurde mit Messungen bestätigt.<br />Um das Messsystem einfacher handhaben zu können wurde ein neues Holder System welches die Flüssigkeits-Versorgung für den Mikrochip bereitstellt, entwickelt. Diese Aufgabe inkludierte eine Anpassung und Neubau einiger mechanischer Komponenten. In diesem Kontext wurde ein magnetisches System, welches die Handhabung der Glasfasern vereinfacht, integriert. Das neue Holder-System kann in Zukunft beliebig erweitert werden, da es als standardisiertes System gebaut wurde.<br />Messungen mit Polystyrol Partikel, mit einem Durchmesser von 12 µm und 6 µm konnten erfolgreich durchgeführt werden. Zwei verschiedene Detektionsverfahren - Absorptions und Fluoreszenz Detektion - konnten dabei angewendet werden.<br />Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit wurden bei der Konferenz Eurosensors 2009 eingereicht und akzeptiert. Eine Kurzfassung des Artikels befindet sich in Appendix C.<br />

This master thesis presents the development and fabrication of an optic-microfuidic flow sensor for the analysis of particles in the micrometer-diameter range. The development of this microchip is based on investigations from M. Rosenauer in. The standard lithographic fabrication technique with SU-8 epoxy on a silicon wafer used for this microchip warrants a good process controllability.<br />In many flow cytometric systems fluid handling is an important factor.<br />For single particle measurements a sharp hydrodynamic focusing is necessary. Different chip designs were investigated to create a reproducible flow of seriatim particles, which are transported to an observation zone. Four fluid ports allow to enfold the sample stream three-dimensionally and position it in the flow channel. All theoretical approaches were proved by finite element simulations with COMSOL Multiphysics. Experimental results agreed with the simulations and showed that the model can be simulated accurately.<br />An optical measurement system with a laser source, to detect particles was implemented as well. The light coupling was managed with optical fibers. In order to improve the efficiency the stimulated laser light was focused with an integrated microlens. Two different integrated lens concepts were simulated with ZEMAX, a software for optical system design. One of the integrated lenses enables modification of the focal point by introducing different lens media. This modificaiton allows to increse the sensitivity of the detection system. The principle of shifting the focal point was proven by measurements.<br />To simplify the measurement setup a new holder system, which provided the fluid provision was developed. This task demanded a redesign of several mechanical parts. In additon a magnetic system provides easier fiber handling was integrated as well. The new holder system was built using a standard mounting system, so it can be extended in future.<br />Finally polystyrene particle measurements with a size of 12 µm and 6 µm in diameter were successfully carried out. Both analysed detection principles - adsorption and fluorescence - were proved during this process.<br />The results of this thesis were also submitted and accepted at the Eurosensors conference 2009. An abstract of the paper can be found in Appendix C.