Name: a performance-testing platform for a conduction micropump with an fr-4 copper-clad electrode plate
Uploaded: 2017-10-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate at JoVE.com

Diese Arbeit wurde gesponsert von der National Natural Science Foundation of China (51375176); der Guangdong Provinz Natural Science Foundation von China (2014A030313264); Wissenschaft und Technik Projektplanung der Guangdong Provinz, China (2014B010126003).

Vorsicht: konsultieren Sie bitte alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Aceton ist leicht entzündlich und kann zu Reizungen der Augen und Atemwege verursachen. Die beteiligten Spannung ist so hoch wie mehrere tausend Volt; Daher dürften elektrische Funken, wenn Sie das Experiment durchführen. Experimente durchführen, die in einem Raum mit guter Belüftung zur Vermeidung von Explosionen und Feuer aus dem Funken.
 1. Herstellung der Platten und Halter Hinweis: In diesem Werk werden die Elektrodenplatten und Inhaber von einer Fertigungslinie in einer Fabrik hergestellt. Nur das Material und die Parameter aller Teile in diesem Papier aufgrund der komplizierten Prozesse eingeführt werden.
<ol><li>Material und Größe der Elektrodenplatte <ol><li>Fabricate die Elektrode Platten mit 1,4 mm FR-4 CCL mit einer dünnen Kupferschicht von 35 µm. Siehe Abbildung 1 für detaillierte Parameter der Elektrodenplatte.</li>
	</ol></li> <li>Parameter der Elektroden <ol><li>die Elektrodenplatten ab Werk bestellen. Weitere Einzelheiten siehe Abbildung 2.</li>
	</ol></li> <li>Inspektion der Elektrodenplatte <ol><li>nach der Vorbereitung der Elektrodenplatte verwenden Elektronenmikroskop um die Elektroden für deutliche Mängel unter 100 X und 300 X Vergrößerung zu prüfen. Beachten Sie, dass kleine Mängel an der Oberfläche der Elektroden kurzschließen, verursachen können, wie in Abbildung 3 gezeigt.</li>
		<li>Prüfen und Messen Sie die Elektrode Breite und Abstand zu ermitteln, ob die Maßgenauigkeit der Anforderung erfüllt.</li>
		<li>Testen, die Platte mit einem Ampermeter zu sehen, ob einen elektrischen Kurzschluss auftritt.</li>
	</ol></li> <li>Vorbereitung der Kammer Platte <ol><li>einige Silikonmembran auf die gleiche Größe wie der Elektrodenplatte geschnitten, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wählen Sie Silikonmembranen mit unterschiedlichen dicken Kammer Platten mit unterschiedlichen Höhen machen.</li>
		<li>Eine spezielle Stanzwerkzeug zu der Kammer Loch Stanzen verwenden, wie in Abbildung 5 gezeigt.</li>
	</ol></li> <li>Verarbeitung des Inhabers <ol><li>den Inhaber aus einer Fabrik zu bestellen. Die detaillierte Parameter sind in Abbildung 6 gezeigt.</li>
	</ol></li> <li>Fertigung der Abdeckplatte <ol><li>zwei Bohrungen an der Oberseite der Abdeckplatte mit einer Bohrung Maschine, um die Einlass und Auslass Rohre zu installieren. Abbildung 7 für ihre Positionen und Größen sehen.</li>
	</ol></li></ol> 2. Montage von der Mikropumpe <ol><li>Gebrauch Aceton waschen alle Platten, die Inhaber, die Einlass und Auslass Rohre und andere Tools, die in den Experimenten verwendet. Legen Sie diese Tools und Platten in ein Becherglas und gießen Sie dann genug 99,5 % Aceton um sie eintauchen. Setzen Sie den Becher in die Ultraschall-Unterlegscheibe. Schalten Sie den Ultraschall Waschmaschine und stellen Sie den Timer auf 5 min.</li>
	<li>Einlass und Auslass Edelstahl-Rohre in die beiden Löcher auf der Abdeckplatte einfügen.</li>
	<li>Legen Sie eine Kammer-Platte aus Silikonmembran auf der Elektrodenplatte und bedecken Sie es mit der Abdeckplatte.</li>
	<li>Stack und richten Sie die Abdeckplatte, die Kammer-Platte und die Elektrode Platte von oben nach unten und legen Sie die ausgerichteten Platten in die Halterung.
	<ol><li>Verwendung eine M5 Schraube, die Platten in der Halterung zu beheben. Die Explosion und normale Ansicht der montierten Mikropumpe zu sehen, wie in Abbildung 8 und Abbildung 9, bzw. gezeigt.</li>
		<li>Drücken Sie die Platten zusammen, indem Sie die Schrauben festziehen. 
		Hinweis: Die Rohre und der Hohlraum auf der Kammer-Platte werden eine Passage für die Arbeitsflüssigkeit bilden. Die elastische Kammer-Platte kann der Abstand zwischen den Platten zu verhindern, dass Flüssigkeit fließt auch abzuriegeln. Die Explosion-Ansicht und der normalen Ansicht von der montierten Mikropumpe in Abbildung 8 und Abbildung 9, bzw. zu sehen.</li>
	</ol></li> <li>Zwei Polyurethan-Schläuche mit Außendurchmesser von 4 mm und Innendurchmesser von 2 mm zu verwenden, um den Einlass und Auslass Edelstahlrohre verbinden.</li>
	<li>Schließen ein Ampermeter, 500 V DC Stromquelle und die Mikropumpe in Serie. Legen Sie eine 1 mA Sicherung zwischen den Meßbuchsen und die Stromquelle, die Meßbuchsen zu schützen, für den Fall, dass die Mikropumpe kurzgeschlossen ist.</li>
	<li>Legen Sie den Zulaufschlauch in einen 50-mL-Becherglas mit 20-30 mL Aceton in. 
	Hinweis: Abbildung 10 zeigt die fertige Plattform.</li>
</ol> 3. Experimentelle Verfahren <ol><li><ol><li>vorbereitende Arbeiten vor dem Experiment einen Zylinder verwenden, um Aceton zu füllen die Mikropumpe zu injizieren. Nachdem der Flüssigkeitsstand der Auslaufschlauch erreicht hat, weiterhin 10 mL Aceton im Inneren zu injizieren, bis alle Bläschen weg von der Kammer gedrückt werden. 
		Hinweis: Es ist unmöglich, festzustellen, ob alle Bläschen im Inneren der Kammer verlassen, weil der Abdeckplatte und der Elektrodenplatte nicht transparent sind. Um Luftblasen zu entfernen hilft kontinuierlich Injektion von Aceton, aber kann es nicht garantieren, dass keine Luftblasen im Inneren der Mikropumpe gelassen werden. Luftblasen können blockieren den Durchgang von Flüssigkeit, oder kurz die Schaltungen und verursachen eine Mikro-Explosion im Inneren der Mikropumpe, die die Elektroden brennen wird. Die Wirkung von Bläschen auf den Pumpenbetrieb noch nicht völlig klar, aber die Ausfälle sie verursachen mehrmals beobachtet worden.</li>
		<li>20-30 mL Aceton in das Becherglas gießen und legte den Zulaufschlauch in den Becher. Sicherzustellen, dass der Flüssigkeitsspiegel mindestens 5 mm höher als der Einlass ist, so dass Aceton in die Pumpe fließen kann und keine Luft in die Mikropumpe Kammer eingesaugt werden kann.</li>
	</ol></li> <li>Statische Druckprüfung <ol><li>einem kleinen Rahmen den Auslaufschlauch zuordnen, so dass der Schlauch gerade und senkrecht bleiben können. Legen Sie ein Lineal neben den Auslaufschlauch um den Füllstand zu messen.</li>
		<li>Die Mikropumpe mit der Stromquelle verbinden.</li>
		<li>Starten Sie den Test durch Drücken des Schalters und dann markieren Sie die erste Flüssigkeitsstand.</li>
		<li>Nach der Flüssigkeitsstand stabil wird, aufzeichnen, die Zeit, der letzte Flüssigkeitsspiegel und der elektrische Strom.</li>
		<li>Weiterhin der Flüssigkeitsspiegel und der aktuellen erfassen alle 10 s bis die Mikropumpe zusammenbricht.</li>
	</ol></li> <li>Flow Rate Test <ol><li>verwenden eine große Glaszylinder, um die Flüssigkeit, die aus dem Ablaufschlauch zu sammeln. Achten Sie darauf, den Ablaufschlauch zu beheben, so dass das Ende auf gleicher Höhe wie der Flüssigkeitsstand im Becher bleibt.</li>
		<li>Die Mikropumpe mit der Stromquelle verbinden.</li>
		<li>Starten Sie den Test durch Drücken des Schalters und dann markieren Sie die erste Flüssigkeitsstand.</li>
		<li>Als die Flüssigkeit beginnt zu fließen aus den Auslaufschlauch aufzeichnen dem Volumen Aceton in den Messzylinder alle 10 s. Im Laufe des Experiments Aceton hinzufügen den Becher, der Flüssigkeitsspiegel beizubehalten.</li>
	</ol></li> <li>Zuverlässigkeit testen
	<ol><li>Verwendung der durchschnittlichen Arbeitszeit, die Zuverlässigkeit der Pumpe zu bewerten. Während die Abdrehprobe und die statische Druckprüfung erfassen Sie die Betriebszeit, bevor die Pumpe ausfällt. Aufzeichnen der detaillierten Phänomene jede Panne während des Experiments und der Elektrodenoberfläche Platte danach zur weiteren Analyse zu inspizieren.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kazemi, P. Z., Selvaganapathy, P. R., Ching, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+micropillar+electrode+spacing+on+the+performance+of+electrohydrodynamic+micropumps.">Effect of micropillar electrode spacing on the performance of electrohydrodynamic micropumps.</a> J Electrostat. 68 (4), 376-383 (2010).</li><li>Kano, I., Nishina, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+electrode+arrangements+on+EHD+conduction+pumping.">Effect of electrode arrangements on EHD conduction pumping.</a> IEEE Trans Ind Appl. 49 (2), 679-684 (2013).</li><li>Laser, D. J., Santiago, J. 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H., Ghavifekr, H. B., Lintel, H., Brugger, J., Renaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bi-directional+AC+electrothermal+micropump+for+on-chip+biological+applications.">Bi-directional AC electrothermal micropump for on-chip biological applications.</a> Electrophoresis. 37 (5-6), 719-726 (2016).</li><li>Pearson, M. R., Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Study+of+Linear+and+Radial+Two-Phase+Heat+Transport+Devices+Driven+by+Electrohydrodynamic+Conduction+Pumping.">Experimental Study of Linear and Radial Two-Phase Heat Transport Devices Driven by Electrohydrodynamic Conduction Pumping.</a> J Heat Trans-T ASME. 137 (2), 022901 (2015).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die entscheidenden Schritte innerhalb des Protokolls gehört zu der Elektrodenplatte sorgfältig zu überprüfen. Kleine Grate am Rande einer Elektrode können dazu führen, dass ein Kurzschluss und Oberflächenbeschaffenheit kann großen Einfluss auf die Pumpenleistung. Die Reinigung der Elektrodenplatte und Halter ist auch sehr wichtig. Die Elektrode Kammer Höhe ist weniger als 1 mm, so dass kleine Staubpartikel können blockieren den Flüssigkeitsstrom zu arbeiten und einen Kurzschluss verursachen. Vor der Prüfung k...

Mikropumpen können Flüssigkeitsstrom in viel kleinerem Maßstab als die meisten Pumpen fahren. In den letzten Jahren wurden verschiedene treibende Regelungen mikrofluidischen Systemen1,2,3,4,5erfolgreich angewendet. Electrohydrodynamic (EHD) Pumpe ausüben kann Kräfte direkt auf die Flüssigkeit, ohne bewegliche Teile, wodurch es einfacher und leichter zu6zu fabrizieren. Nach der Kostenarten können EHD Pumpen als Einspritzpumpen, Induktion Pumpen oder Wärmeleitung Pumpen eingestuft werden. Induktion Pumpen funktionieren nicht auf isothermen Flüssigkeiten während Einspritzpumpen die flüssigen Leitfähigkeit ändern. Weil sie solche Probleme fehlt, Wärmeleitung Pumpen sind stabiler und haben eine breitere Anwendung.
Die Wärmeleitung Pumpe basiert auf das Missverhältnis der Dissoziation und Rekombination Sätze der Flüssigkeitsmoleküle. Prozess der Dissoziation und Rekombination kann normalerweise,7,8folgt ausgedrückt werden: 
<img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/55867/55867eq1.jpg"> wo ist die Rekombination Rate kR konstant, während die Dissoziation Rate kd eine Funktion der elektrischen Feldstärke ist. Wenn die elektrische Feldstärke einen bestimmten Wert erreicht, wird die Dissoziation Rate die Rekombinationsrate übersteigen. Dann reisen mehr und mehr freien Ladungen an den beiden Elektroden der entgegengesetzten Polarität und Heterocharge Schichten bilden. Diese Heterocharge-Schichten sind der Schlüssel zu der Pumpe, wie die Bewegung der Ladungen die Flüssigkeitsmoleküle nach vorne schiebt. Daher kann net Körperkraft in der Flüssigkeit innerhalb der Kammer mit asymmetrischen Elektroden oder die Nichtübereinstimmung der Mobilität von positiven und negativen Ionen9,10,11,12 generiert werden .
Diese Arbeit stellt eine neue Art der Herstellung eine symmetrische planar Elektrodenplatte für eine Leitung Pumpe. Die Elektrodenplatte ist auf FR-4 CCL zubereitet und die Pumpenkammer wird vorbereitet, indem Mikromaterialbearbeitung. Die Herstellungsprozesse sind relativ einfacher und bequemer als die der anderen Herstellungsmethoden, wie Nanolithografie. Eine Testplattform ist eingerichtet, die Leistung der Wärmeleitung Mikropumpe unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit der Wärmeleitung Mikropumpe auch unter anderen Umständen untersucht.

<table><tbody><tr><td>Amperemeter</td><td>-</td><td>85C1-MA</td><td></td></tr><tr><td>DC high voltage power supply</td><td>NanTong Jianuo electric device company</td><td>GY-WY500-1</td><td></td></tr><tr><td>Fuse</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner</td><td>Derui ultrasonic device company</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Soldering iron</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr></tbody></table>

a performance-testing platform for a conduction micropump with an fr-4 copper-clad electrode plate

Hier ist eine Wärmeleitung Mikropumpe mit symmetrischen planar Elektrodenpaare vorbereitet auf flammhemmende glasfaserverstärktem Epoxy (FR-4) kupferummantelte Laminat (CCL) hergestellt. Hiermit wird den Einfluss der Kammer Dimensionen auf die Leistung einer Leitung Mikropumpe untersuchen und bestimmen die Zuverlässigkeit der Wärmeleitung Pumpe wenn Aceton als das Arbeitsmedium verwendet wird. Eine Testplattform ist eingerichtet für Wärmeleitung Mikropumpe Ertragskraft unter verschiedenen Bedingungen. Wenn die Kammer Höhe 0,2 mm ist, erreicht der Pumpendruck seinen Spitzenwert.

Wie in Abbildung 11gezeigt, steigen der Pumpendruck und die steigende Rate, wenn die Spannung erhöht. Wenn die Spannung 500 V erreicht, erreicht der Pumpendruck 1.100 Pa.
Der Pumpe statische Druck steigt mit der Pumpe Kammer Höhe erhöhen, wenn die Kammer Höhe unter 0,2 mm beträgt. Die Leistung der Pumpe erreicht ihren höchsten Punkt, wenn die Kammer Höhe 0,2 mm beträgt. Der statische Druck f...

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A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Dieser Beitrag stellt ein Protokoll für die Herstellung von eine Wärmeleitung Mikropumpe mit symmetrische planar Elektroden auf flammhemmende glasfaserverstärktem Epoxy (FR-4) kupferummantelte Laminat (CCL) um zu testen, den Einfluss der Kammer Dimensionen auf die Leistung von einem Wärmeleitung Mikropumpe.

Leistungstests Plattform für eine Wärmeleitung Mikropumpe mit einem FR-4 kupferummantelte Elektrodenplatte

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

a-performance-testing-platform-for-conduction-micropump-with-an-fr-4

Research

JoVE Journal

Bioengineering

5.9K Aufrufe.  South China University of Technology. Dieser Beitrag stellt ein Protokoll für die Herstellung von eine Wärmeleitung Mikropumpe mit symmetrische planar Elektroden auf flammhemmende glasfaserverstärktem Epoxy (FR-4) kupferummantelte Laminat (CCL) um zu testen, den Einfluss der Kammer Dimensionen auf die Leistung von einem Wärmeleitung Mikropumpe.

Serie: A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Forschung

Ingenieurwesen

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals suffering from chronic medical conditions facile assessment of their immediate physiological state. Furthermore, it could serve as a research tool for analysis of complex, multifactorial medical conditions. In order for such a multianalyte sensor to be realized, it must be minimally invasive, sampling of interstitial fluid must occur without pain or harm to the user, and analysis must be rapid as well as selective.
Initially developed for pain-free drug delivery, microneedles have been used to deliver vaccines and pharmacologic agents (e.g., insulin) through the skin.1-2 Since these devices access the interstitial space, microneedles that are integrated with microelectrodes can be used as transdermal electrochemical sensors. Selective detection of glucose, glutamate, lactate, hydrogen peroxide, and ascorbic acid has been demonstrated using integrated microneedle-electrode devices with carbon fibers, modified carbon pastes, and platinum-coated polymer microneedles serving as transducing elements.3-7,8
This microneedle sensor technology has enabled a novel and sophisticated analytical approach for in situ and simultaneous detection of multiple analytes. Multiplexing offers the possibility of monitoring complex microenvironments, which are otherwise difficult to characterize in a rapid and minimally invasive manner. For example, this technology could be utilized for simultaneous monitoring of extracellular levels of, glucose, lactate and pH,9 which are important metabolic indicators of disease states7,10-14 (e.g., cancer proliferation) and exercise-induced acidosis.15

This article details the construction of a multiplexed microneedle-based sensor. The device is being developed for in situ sampling and electrochemical analysis of multiple analytes in a rapid and selective manner. We envision clinical medicine and biomedical research uses for these microneedle-based sensors.

Hohle Mikronadel-basierten Sensor für Multiplex Transdermale elektrochemische Nachweis

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals ...

Biotechnik

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging techniques.
The one-time use packaging technique employs UV-based and temperature curing epoxies to connect microtubes to access holes, wire-bonding for integrated circuit connections, and silver epoxy for electrical connections. This method is based on a robust assembly technique that can support relatively high pressure close to 1 psi and does not need any support to strengthen the microfluidic architecture.
Reusable packaging techniques consist of PDMS-based microtube interconnectors and anisotropic adhesive films for electrical connections. These devices are more sensitive and fragile. Consequently, Plexiglas support is added to the microfluidic structure to improve the electrical contact when anisotropic adhesive films are used, and also to strengthen the microfluidic architecture. In addition, a micromanipulator is needed to maintain tubes while using a thin PDMS layer to connect them to the access holes. Different PDMS layer thicknesses, ranging from 0.45-3 mm, are tested to compare the best adherence versus injection rates. Applied injection rates are varied from 50-300 &#956;l/hr for 0.45-3 mm PDMS layers, respectively. These techniques are mainly applicable for low-pressure applications. However, they can be extended for high-pressure ones through plasma-oxygen process to permanently seal the PDMS to glass substrates. The main advantage of this technique, besides the fact that it is reusable, consists of keeping the device observable when the microchannel length is very short (in the range of 3 mm or lower).

In this article we describe different techniques for microfluidic rapid prototyping platforms. The proposed techniques are based on ultraviolet (UV) sensitive and temperature curing epoxies, polydimethylsiloxane (PDMS) based tubing, wire-bonding, and anisotropic adhesive films. The assembling procedures presented are developed for both one-time use devices as well as reusable microfluidic systems.

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

A Microfluidic Platform for Precision Small-volume Sample Processing and Its Use to Size Separate Biological Particles with an Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. However, to achieve robust sample manipulation it is necessary to address device integration with the macroscale environment. To realize repeatable, sensitive particle separation with microfluidic devices, this protocol presents a complete automated and integrated microfluidic platform that enables precise processing of 0.15&#8211;1.5 ml samples using microfluidic devices. Important aspects of this system include modular device layout and robust fixtures resulting in reliable and flexible world to chip connections, and fully-automated fluid handling which accomplishes closed-loop sample collection, system cleaning and priming steps to ensure repeatable operation. Different microfluidic devices can be used interchangeably with this architecture. Here we incorporate an acoustofluidic device, detail its characterization, performance optimization, and demonstrate its use for size-separation of biological samples. By using real-time feedback during separation experiments, sample collection is optimized to conserve and concentrate sample. Although requiring the integration of multiple pieces of equipment, advantages of this architecture include the ability to process unknown samples with no additional system optimization, ease of device replacement, and precise, robust sample processing.

This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15&#8211;1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.

Einem mikrofluidischen Plattform für Präzisions-Kleinvolumen Probenbearbeitung und seine Verwendung zur Größe Separate biologische Partikel mit einem Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. ...

Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid more efficiently, in terms of &#64258;ow rate per power input, than those that rely on Rayleigh waves and other modes of vibration in LN or lead zirconate titanate (PZT). The complete device is composed of a transducer, a transducer holder, and a &#64258;uid supply system. The fundamentals of acoustic liquid atomization are not well known, so techniques to characterize the devices and to study the phenomena are also described. Laser Doppler vibrometry (LDV) provides vibration information essential in comparing acoustic transducers and, in this case, indicates whether a device will perform well in thickness vibration. It can also be used to &#64257;nd the resonance frequency of the device, though this information is obtained more quickly via impedance analysis. Continuous &#64258;uid atomization, as an example application, requires careful &#64258;uid flow control, and we present such a method with high-speed imaging and droplet size distribution measurements via laser scattering.

Fabrication of piezoelectric thickness mode transducers via direct current sputtering of plate electrodes on lithium niobate is described. Additionally, reliable operation is achieved with a transducer holder and &#64258;uid supply system and characterization is demonstrated via impedance analysis, laser doppler vibrometry, high-speed imaging, and droplet size distribution using laser scattering.

Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

Fabrication and Validation of an Organ-on-chip System with Integrated Electrodes to Directly Quantify Transendothelial Electrical Resistance

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful research tools for studying human health and disease. To characterize the barrier function of cell layers cultured inside organ-on-chip devices, often transendothelial or transepithelial electrical resistance (TEER) is measured. To this end, electrodes are usually integrated into the chip by micromachining methods to provide more stable measurements than is achieved with manual insertion of electrodes into the inlets of the chip. However, these electrodes frequently hamper visual inspection of the studied cell layer or require expensive cleanroom processes for fabrication. To overcome these limitations, the device described here contains four easily integrated electrodes that are placed and fixed outside of the culture area, making visual inspection possible. Using these four electrodes the resistance of six measurement paths can be quantified, from which the TEER can be directly isolated, independent of the resistance of culture medium-filled microchannels. The blood-brain barrier was replicated in this device and its TEER was monitored to show the device applicability. This chip, the integrated electrodes and the TEER determination method are generally applicable in organs-on-chips, both to mimic other organs or to be incorporated into existing organ-on-chip systems.

This publication describes the fabrication of an organ-on-chip device with integrated electrodes for direct quantification of transendothelial electrical resistance (TEER). For validation, the blood-brain barrier was mimicked inside this microfluidic device and its barrier function was monitored. The presented methods for electrode integration and direct TEER quantification are generally applicable.

Herstellung und Validierung von einer Orgel-on-Chip-System mit integrierten Elektroden, direkt Transendothelial elektrischen Widerstand zu quantifizieren

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful ...

Mechano-Node-Pore Sensing: A Rapid, Label-Free Platform for Multi-Parameter Single-Cell Viscoelastic Measurements

Cellular mechanical properties are involved in a wide variety of biological processes and diseases, ranging from stem cell differentiation to cancer metastasis. Conventional methods for measuring these properties, such as atomic force microscopy (AFM) and micropipette aspiration (MA), capture rich information, reflecting a cell's full viscoelastic response; however, these methods are limited by very low throughput. High-throughput approaches, such as real-time deformability cytometry (RT-DC), can only measure limited mechanical information, as they are often restricted to single-parameter readouts that only reflect a cell's elastic properties. In contrast to these methods, mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) is a flexible, label-free microfluidic platform that bridges the gap in achieving multi-parameter viscoelastic measurements of a cell with moderate throughput. A direct current (DC) measurement is used to monitor cells as they transit a microfluidic channel, tracking their size and velocity before, during, and after they are forced through a narrow constriction. This information (i.e., size and velocity) is used to quantify each cell's transverse deformation, resistance to deformation, and recovery from deformation. In general, this electronics-based microfluidic platform provides multiple viscoelastic cell properties, and thus a more complete picture of a cell's mechanical state. Because it requires minimal sample preparation, utilizes a straightforward electronic measurement (in contrast to a high-speed camera), and takes advantage of standard soft lithography fabrication, the implementation of this platform is simple, accessible, and adaptable to downstream analysis. This platform's flexibility, utility, and sensitivity have provided unique mechanical information on a diverse range of cells, with the potential for many more applications in basic science and clinical diagnostics.

Presented here is a method to mechanically phenotype single cells using an electronics-based microfluidic platform called mechano-node-pore sensing (mechano-NPS). This platform maintains moderate throughput of 1-10 cells/s while measuring both the elastic and viscous biophysical properties of cells.

Mechano-Node-Pore Sensing: Eine schnelle, markierungsfreie Plattform für viskoelastische Multiparameter-Einzelzellmessungen

Cellular mechanical properties are involved in a wide variety of biological processes and diseases, ranging from stem cell differentiation to cancer ...

Mechanische Ermüdungsprüfung von Erythrozyten durch amplitudenmodulierte Elektrodeformation

Amplitude-Modulated Electrodeformation to Evaluate Mechanical Fatigue of Biological Cells

Red blood cells (RBCs) are known for their remarkable deformability. They repeatedly undergo considerable deformation when passing through the microcirculation. Reduced deformability is seen in physiologically aged RBCs. Existing techniques to measure cell deformability cannot easily be used for measuring fatigue, the gradual degradation in cell membranes caused by cyclic loads. We present a protocol to evaluate mechanical degradation in RBCs from cyclic shear stresses using amplitude shift keying (ASK) modulation-based electrodeformation in a microfluidic channel. Briefly, the interdigitated electrodes in the microfluidic channel are excited with a low voltage alternating current at radio frequencies using a signal generator. RBCs in suspension respond to the electric field and exhibit positive dielectrophoresis (DEP), which moves cells to the electrode edges. Cells are then stretched due to the electrical forces exerted on the two cell halves, resulting in uniaxial stretching, known as electrodeformation. The level of shear stress and the resultant deformation can be easily adjusted by changing the amplitude of the excitation wave. This enables quantifications of nonlinear deformability of RBCs in response to small and large deformations at high throughput. Modifying the excitation wave with the ASK strategy induces cyclic electrodeformation with programmable loading rates and frequencies. This provides a convenient way for the characterization of RBC fatigue. Our ASK-modulated electrodeformation approach enables, for the first time, a direct measurement of RBC fatigue from cyclic loads. It can be used as a tool for general biomechanical testing, for analyses of cell deformability and fatigue in other cell types and diseased conditions, and can also be combined with strategies to control the microenvironment of cells, such as oxygen tension and biological and chemical cues.

Autor im Rampenlicht: Untersuchung der Biomechanik zirkulierender Zellen durch Modulation ihres Elektrodeformationsverhaltens 

Presented here is a protocol for mechanical fatigue testing in the case of human red blood cells using an amplitude-modulated electrodeformation approach. This general approach can be used to measure the systematic changes in morphological and biomechanical characteristics of biological cells in a suspension from cyclic deformation.