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Titelaufnahme

Titel
Addressing Schemes for Advanced Droplet-based Microfluidic Networks / submitted by Gerold Fink
AutorInnenFink, Gerold
Betreuer / BetreuerinSpringer, Andreas
ErschienenLinz, 2018
Umfang195 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Masterarbeit, 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)tröpfchenbasierte Mikrofluidik / Adressierung / Ringnetzwerk / Busnetzwerk
Schlagwörter (EN)droplet-based microfluidics / addressing scheme / ring network / bus network
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-25866 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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Addressing Schemes for Advanced Droplet-based Microfluidic Networks [5.06 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten kleinster Flüssigkeitsmengen und hat zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Pharmakologie und Biologie. Mikrofluidische Systeme, die einzelne oder mehrere Laborversuche auf einem einzigen Chip vereinen, werden als Lab-on-a-Chip (LoC) bezeichnet. Eine vielversprechende Technologie in der LoCs realisiert werden können, ist die tröpfchenbasierte Mikrofluidik, welche mit kleinen Mengen von Reagenzien, sogenannten Tröpfchen, arbeitet. Diese Tröpfchen fließen innerhalb einer nicht vermischbaren Flüssigkeit durch geschlossene Kanäle, die einen Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern haben. Die Tröpfchen enthalten biologisch/chemische Proben und können durch verschiedene Module des LoC, welche die Proben z.B. mischen oder erhitzen, verarbeitet werden. LoCs können z.B. für DNA-Sequenzierung, Zellanalysen, organische Analysen und Drogenscreening verwendet werden. Leider ist ein LoC so konzipiert, dass er eine Reihe von Operationen in einer vordefinierten Reihenfolge durchführt, um einen bestimmten Laborversuch durchzuführen, was seine Flexibilität einschränkt. Um diesen Nachteil auszugleichen, werden mehrere Module miteinander verbunden und um Netzwerkfunktionalitäten ergänzt, sodass ein sogenannter Networked-Lab-on-a-Chip (NLoC) entsteht. In einem NLoC werden Header-Tröpfchen verwendet, um ein Tröpfchen mit einer Probe (Payload-Tröpfchen) zu einem gewünschten Modul zu leiten, wobei passive hydrodynamische Effekte ausgenutzt werden. Header-Tröpfchen enthalten im Gegensatz zu Payload-Tröpfchen keine Proben und werden nur zur Adressierung verwendet. Bisher basieren NLoCs hauptsächlich auf zwei verschiedenen Netzwerktopologien, nämlich Ring- und Busnetzwerke. In dieser Arbeit erweitern wir das 1-dimensionale Busnetzwerk zu einem 2-dimensionalen Arraynetzwerk und stellen zwei verschiedene Architekturen vor: Die erste Architektur kann ein einzelnes Payload-Tröpfchen zu einem bestimmten Modul leiten, während die Zweite in der Lage ist, mehrere Payload-Tröpfchen zu einem einzelnen Modul zu transportieren. Zusätzlich bestimmen wir die Abstände zwischen den verschiedenen Tröpfchen am Eingangskanal der Netzwerke, um ein bestimmtes Modul zu adressieren. Anschließend beschäftigen wir uns mit Ringnetzwerken und gehen vor allem auf das folgende Problem ein. Soll ein Payload-Tröpfchen von mehr als einem Modul verarbeitet werden, muss das Tröpfchen immer wieder neu eingespeist werden, was die Probe zerstören kann. Dieser Nachteil lässt sich umgehen, indem das Payload-Tröpfchen zusammen mit mehreren Header-Tröpfchen eingespeist wird. Die Abstände zwischen diesen Tröpfchen am Eingangskanal müssen jedoch einen bestimmten Wert aufweisen, um die Module der gewünschten Netzwerkknoten adressieren/überspringen zu können. Die Herleitung zur Bestimmung dieser Abstände ist ebenfalls ein Bestandteil dieser Arbeit. Alle vorgeschlagenen Konzepte werden durch Simulationen validiert, die auf der Analogie zwischen mikrofluidischen und elektrischen Netzwerken basieren.

Zusammenfassung (Englisch)

Microfluidics deals with manipulation of tiny volumes of fluids and has numerous applications in chemistry, pharmacology and biology. Microfluidic systems that realize single or multiple laboratory experiments on a single chip are refereed to as Lab-on-a-Chip (LoC). A promising platform of LoCs are droplet-based LoCs, operating on a small amount of reactants, so-called droplets. These droplets are transported inside another immiscible fluid through closed micro-channels, which have a diameter in the order of micrometers. The droplets contain some biological/chemical samples and can be processed by different modules (e.g. mixing, heating) of the LoC e.g. for DNA sequencing, cell analysis, organism analysis and drug screening. The LoC is designed to perform a set of operations in a predefined order to implement a certain laboratory experiment, which limits its flexibility. In order to compensate this drawback, multiple modules are interconnected and network functionalities are added, which yields a so-called Networked-Lab-on-a-Chip (NLoC). In a NLoC, header droplets are used to route a droplet with a sample (payload droplet) to a desired module, where passive hydrodynamic effects are exploited. Header droplets don't contain any samples and are only used for addressing purposes. So far, NLoCs are mainly based on two network topologies, namely ring and bus networks. In this work, we extend the 1-dimensional bus network to a 2-dimensional array network and present two different architectures: The first architecture can route a single payload droplet to a particular module, while the second one is able to route multiple payload droplets to a single module. Moreover, we determine the distances between the different droplets at the input channel of the networks, in order to address a particular module. Then, we address the problem that in a ring network a payload droplet always have to be re-injected, when it should be processed by more than one module, which destroys the sample. This drawback can be eliminated, when the payload droplet is injected with several header droplets. However, the distances between the droplets at the input channel of the network must have a certain value, in order to address/skip the modules of the desired nodes. How to obtain these distances for two particular ring networks is also provided in this work. All proposed concepts and derivations are validated through simulations, that are based on the analogy between microfluidics and electric circuits.

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