Development, integration and application of modules for droplet-based microfluidics
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Abstract EN:
Miniaturization has become a powerful concept influencing almost every scientific discipline. Initially revolutionizing electronics and computing, it has soon expanded into the microelectromechanical and more recently microfluidic fields. Here, channels which are often thinner than a human hair are used to manipulate micro- to picoliter amounts of reagents to reduce costs and increase sensitivity by the special mechanisms present at these size scales. The work performed within this thesis involves physics, material sciences and screening applications. Novel droplet manipulation modules and principles have been developed and characterized. One module enables to sort droplets by size differences rather than on its content. Another development concerns a novel droplet synchronization module which can create droplet pairs with an almost perfect accuracy. Probably the most broadly useful module is the development of an on-chip incubation delay-line. Due to these efforts it was possible to integrate several dropletbased modules functionally with each other on a single chip, in order to create complex devices useful for screening applications as e. G. Directed evolution of enzymes. Another development concerning screening applications is a dilution system enabling to adjust and ramp concentrations of a compound over several orders of magnitude, allowing to perform quantitative high-throughput screening with a statistical data quality far in excess of conventional methods. Additionally to these biological applications the microfluidic droplets have been used to synthesize superparamagnetic iron-oxide nano-particles in a very fast and well controllable reaction.
Abstract FR:
La miniaturisation est devenue un concept puissant influençant la plupart des disciplines scientifiques. Révolutionnant au départ l’électronique et l’informatique, elle s’est alors étendue aux domaines de la microélectromécanique et plus récemment à ceux de la microfluidique. Le travail réalisé dans cette thèse touche aux trois principaux domaines de recherche de la microfluidique en gouttes: la physique, la science des matériaux ainsi que les applications de criblage. Des modules et des principes novateurs pour la manipulation de gouttes ont été développés et caractérisés. Un module permet de trier des gouttelettes suivant leur différence de taille plutôt que selon leur contenu. Un autre développement concerne un module original de synchronisation de gouttes qui peut créer des paires de gouttes avec une précision quasi parfaite. Le module présentant le plus large intérêt est probablement le développement d’une ligne de délai pour une incubation sur puce. Grâce à ces efforts, il a donc été possible d’intégrer plusieurs modules en gouttes fonctionnant l’un avec l’autre sur une puce unique, afin de créer des dispositifs complexes utiles pour les applications de criblage comme par exemple, l’évolution dirigée d’enzymes. Un autre développement concernant les applications de criblages est un système de dilution permettant de générer plusieurs ordres de grandeur de concentrations d’un composé pour réaliser des criblages à haut débit avec des données statistiques de qualité largement supérieure aux méthodes conventionnelles. En plus la microfluidique en gouttes a été utilisée pour synthétiser des nano-particules d’oxyde de fer via une réaction très rapide et aisément contrôlable.