PDMS-based opto uidic systems

Abstract

Al llarg de la tesis, diversos elements òptics i fluidics s’han aconseguit integrar en sistemes optofluidics completament funcionals. La integració d’aquests s’ha realitzat fent servir la tècnica de soft-lithography i el PDMS com material constituent per garantir el baix cost i la felxibilitat dels sistemes LOC. Els elements desenvolupats s’han caracteritzat individualment i els LOCs s’han testat i caracteritzat com a eines per a l’analisis bioquímic per sobrepassar problemes actuals. Es resalta el diseny, optimització, fabricació i caracterització dels elements optics individuals. Els elements òptics es divideixen en dos grups, passius i actius. Els passius són aquells que no necessiten cap font d’energia externa per funcionar. Primerament, els més simples, i.e., lents col·limadores i estructures d’autoalineament, necessàries per crear estructures més complexes. Aquests elements s’havien publicat prèviament, però l’optimització feta així com el desenvolupament d’estructures auxiliars tot fabricat utilitzant la mateixa tecnologia i sense augmentar el passos necessaris doten els elements d’una gran robustesa i ens permeten crear estructures més complexes. Miralls d’aire i lents s’han combinat per formar divisors de feix. El principal problema dels divisors de feix és la desviació entre la intensitat als canals de sortida. Aquest problema indica que pot haver-hi un desalineament en la posició de les fibres, les lents col·limadores o els miralls d’aire. Utilitzant variacions de la tecnologia MIMIC un nou element òptic passiu s’ha dissenyat, fabricat i caracteritzat. PDMS dopat amb 3 pigments diferents s’ha utilitzat per crear filtres amb stopbands al llarg de l’espectr visible. Finalment, un element actiu, un emissor integrat, s’ha redissenyat utilitzant software de simulació òptica. Els resultats suggereixen que hi ha volums morts dins l’estructura i per tant, es proposa una reducció de tamany i un canvi de forma. La integració de molts d’aquests elements més alguns de fluídics es detalla. Primerament, connectors entre mòduls es dissenyen i testegen. L’emissor redissenyat es manufactura i caracteritza. El seu comportament concorda amb les simulacions i suggereig que encara es podria rediu més el volum. Tots els mòduls es fabriquen de dues repliques de PDMS. Cada mòdul és elàstic i pot ser connectat amb els altres en qualsevol substrat, les connexions entre mòduls no són permanents i es poden fer i desfer sense cap coneixement previ sobre microfluidica o LOC. Per tant, el sistema modular té prou flexibilitat per crear LOC a la carta a investigadors sense els coneixements necessaris per crear-los des de zero. Per provar-ho diversos mòduls s’han unit i utilitzat per determinar la concentració de Cristall violeta. Les lents col·limadores ja reportades s’han integrat monolíticament en un generador de microgotes monodisperses. S’han proposat dues configuracions òptiques per possibilitar les mesures en fluorescència i absorbància de les microgotes. Ambdues s’han testejat i comparat amb el set up previ demostrant resultats equiparables. A més, les configuracions proposades poden detectar gotes no etiquetades, una fet que no era possible amb el set up previ, amb la mateixa precisió i fiabilitat. Malgrat tot, degut a les nostres lents col·limadores i els equips de lectura, la velocitat de detecció de gotes està limitada a 160 gotes/s. Finalment, la determinació del medi interior de la gota s’ha demostrat experimentalment per primer cop en un sistema optofluidic. Finalment, s’ha contruit un FCOR comapcte i integrables utilitzant tècniques de soft-lithography i utilitzant únicament PDMS i aire per assegurar baix cost i robustesa. S’han utilitzat phaseguides per crear un FCOR amb un mirall mòbil sense parts mòbils. Aquest LOC és repetitiu i té una llarga durabilitat (no s’aprecia degradació o baixada de rendiment en tot l’espectre visible durant setmanes). Per últim, FCOR s’ha integrat amb dos LOC reportats amb anterioritat per fer mesures en paral·lel de glucosa i lactat amb una única font de llum. Un cop calibrat el sistema, el FCOR permet la mesura de glucosa i lactat amb coherència amb resultats previs. Validant, per tant, el FCOR per anàlisis en paral·lel.

Along the thesis, several optics and fluidics elements are succesfully integrated in fully functional optouidic systems. Integration of these elements using soft-lithography fabrication technique and PDMS as constituent material ensures low-cost, disposable and flexible LOCs systems. Developed elements are individually characterized and LOCs are characterized and tested as (bio)chemical tools to overcome unsolved issues of the present state of the art in LOC applications. Design, optimization, fabrication and characterization of individual optical elements is outlined. Optical elements have been divided in two categories, passive and active elements. Passive elements are those which do not require an energy source to work. Firstly, the most simple elements, i.e., collimation lenses and self-alignment structures, necessary to create more complex structures. Such elements usually were published previously, but our development and optimization of elements as well as auxiliary structures, e.g., stoppers and self-alignment channels, built using a single technology with no increase of fabrication steps, provide a robust approach to create more complex structures. Air mirrors and lenses are combined to create beam splitters. The major issue of the BS is the deviation of output power between channels. This result suggests that some misalignment in the fibre position, the lens collimation or the waveguide geometry has occurred. Using developed MIMIC variations a new passive optical element are designed, fabricated and characterized. PDMS doped with three different pigments are used to create filters with stopbands along the whole visible spectrum. Finally, an active element, an integrated emitter, is redesigned using TracePro simulation software. Simulation results suggest there are dead volumes inside the emitter chamber. Then, size reduction and shape change is proposed. Integration of many of the these optical plus some fluidic elements is explained. Firstly, different connectors between modules are designed and tested. The previously redesigned integrated emitter are manufactured and characterized. Its behaviour matches with simulations results and suggest a further size reduction is not only possible but also recommendable. All the modules are fabricated from two PDMS replicas. Each module is elastic and can be assembled with other modules in any substrate, modules connections are not permanent and can be plug and unplug with no previous knowledge in microfluidics or LOC. Hence, presented modular system have enough flexibility to create LOC on demand to researchers without the background required to design and manufacture LOC systems from scratch. In order to prove it several modules are tested together in a crystal violet concentration determination. Previously reported collimation lenses are monolithically integrated in a monodisperse microdroplets generator. Two different optical configurations have been proposed in order to make possible fluorescence and absorbance measurement of droplets. Both are tested and compared to previous set up with equivalent results. In addition, proposed configurations can detect unlabelled droplets, a feature that was not possible with the previous set up, with the same precision and reliability. However, due to our collimation lenses and readout equipment, the droplet generation rate is limited to 160 drops/s. Finally, screening of droplet inner medium is experimentally proved for first time in optofluidic system. Afterwards, a compact and integrable fluidically controlled optical router (FCOR) is build using soft-lithographic techniques and made entirely of PDMS and air ensuring low-cost and robustness. Phaseguides, has been exploited to create a FCOR with a movable mirror without mobile parts. The LOC is repetitive, and has a good durability (non appreciable degradation or performance deterioration for weeks, in the whole visible spectrum). Finally, FCOR is integrated in a previously reported LOC performing parallel measurements of glucose and lactate with a single light source. After setup calibration, the FCOR allows parallel measurement of glucose and lactate showing good agreement with previous results. Validating then, the FCOR for parallel analysis.