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Instrument miniaturization is led by the desire to perform rapid diagnosis in remote areas with high throughput and low cost. In addition, miniaturized instruments hold the promise of consuming small sample volumes and are thus less prone to cross-contamination. Gas chromatography (GC) is the leading analytical instrument for the analysis of volatile organic compounds (VOCs). Due to its wide-ranging applications, it has received great attention both from industrial sectors and scientific communities. Recently, numerous research efforts have benefited from the advancements in micro-electromechanical system (MEMS) and nanotechnology based solutions to miniaturize the key components of GC instrument (pre-concentrator/injector, separation column, valves, pumps, and the detector). The purpose of this dissertation is to address the critical need of developing a micro GC system for various field- applications. The uniqueness of this work is to emphasize on the importance of integrating the basic components of μGC (including sampling/injection, separation and detection) on a single platform. This integration leads to overall improved performance as well as reducing the manufacturing cost of this technology. In this regard, the implementation of micro helium discharge photoionization detector (μDPID) in silicon-glass architecture served as a major accomplishment enabling its monolithic integration with the micro separation column (μSC). For the first time, the operation of a monolithic integrated module under temperature and flow programming conditions has been demonstrated to achieve rapid chromatographic analysis of a complex sample. Furthermore, an innovative sample injection mechanism has been incorporated in the integrated module to present the idea of a chip-scale μGC system. The possibility of using μGC technology in practical applications such as breath analysis and water monitoring is also demonstrated. Moreover, a nanotechnology based scheme for enhancing the adsorption capacity of the microfabricated pre-concentrator is also described. / Ph. D.

Les mousses polymères appartiennent à la famille des mousses solides qui sont des matériaux polyvalents, largement utilisés dans un grand nombre d'applications telles que l'automobile, l'emballage, produits de sport, isolants thermiques et acoustiques ou l'ingénierie tissulaire. Composé de bulles d'air piégées dans un réseau continu solide, elles allient les propriétés du polymère avec ceux de la mousse pour créer un matériau intéressant et complexe. L'intégration d'une mousse dans un réseau de polymère permet non seulement d'utiliser la vaste gamme de propriétés intéressantes offertes par les polymères, mais permet aussi de profiter des propriétés avantageuses des mousse telles que la légèreté, la faible densité, la compressibilité et un rapport surface/volume grande surface élevé. En général, les propriétés des mousses polymères sont fortement liées à leur densité et leur structure (la taille des bulles, l’arrangement des bulles dans l’espace, la structure des cellules ouvertes ou fermées). Le contrôle des propriétés finales de ces mousses est donc régi par le contrôle de sa densité et sa structure.Nous avons développé une technique dans laquelle des mousses solides sont générées essentiellement suivant un processus à deux étapes dans lequel une mousse liquide suffisamment stable ayant des propriétés bien contrôlées est générée dans une première étape, puis solidifiée. Avec une telle approche, la production des mousses solides peut être divisé en un certain nombre de sous-tâches qui peuvent être contrôlées et optimisées séparément.Le passage de l'état liquide à l'état solide est essentiellement composé de trois étapes principales: la production de la mousse, le mélange des réactifs et la solidification de la mousse. Ce dernier nécessite l'optimisation de la stabilité de la mousse et des paramètres expérimentaux tels que le choix du temps de moussage et de solidification. En outre, une bonne homogénéité de la mousse polymère appelle à un bon mélange des différents réactifs impliqués dans la formulation de la mousse et de la polymérisation.Une illustration des avantages de cette approche est donnée par la solidification de mousses liquides monodisperses générées à l’aide de la technique millifluidique. Dans une telle mousse, des bulles de volume égal, s’auto-organisent sous l’effet de la gravité et du confinement pour former des structures cristallines. Ainsi, les mousses monodisperses permettent d’avoir un contrôle simultanément sur la taille et la distribution des bulles du matériau poreux final, ce qui donne lieu à une meilleure compréhension de la corrélation entre sa structure et ses propriétés. L’objectif de cette étude est donc d'explorer le nouveau spectre de propriétés, que des mousses polymère offrent lorsque l’on y introduit une structure ordonnée et de démontrer la faisabilité de cette approche à deux étapes pour différentes classes de polymères (hydrogel, polymère super-absorbant et polyuréthane).La génération de ces mousses polymères structurées a été réalisée à l’aide d’un laboratoire sur puce qui permet le rétrécissement des dispositifs expérimentaux à l'échelle micro / millimétrique. Il permet également l’injection et le mélange divers ingrédients liquides et gazeux de la mousse. / Polymer foams belong to the solid foams family which are versatile materials, extensively used for a large number of applications such as automotive, packaging, sport products, thermal and acoustic insulators, tissue engineering or liquid absorbents. Composed of air bubbles entrapped in a continuous solid network, they combine the properties of the polymer with those of the foam to create an intriguing and complex material. Incorporating a foam into a polymer network not only allows one to use the wide range of interesting properties that the polymer offers, but also permits to profit from the advantageous properties of foam including lightness, low density, compressibility and high surface-to-volume ratio. Generally, the properties of polymer foams are strongly related to their density and their structure (bubble size and size distribution, bubble arrangement, open vs closed cells). Having a good control over foam properties is thus achieved by first controlling its density and structure.We developed a technique in which solid foams are generated essentially in a two-step process: a sufficiently stable liquid foam with well-controlled structural properties is generated in a first step, and then solidified in a second one. With such a two-step approach, the generation of solid foams can be divided into a number of well-separated sub-tasks which can be controlled and optimised separately. The transition from liquid to solid state is a sensitive issue of a great importance and therefore needs to be controlled with sufficient accuracy. It is essentially composed of three key steps: foam generation, mixing of reactants and foam solidification and requires the optimisation of foam stability in conjunction with an appropriate choice of both foaming time and solidification time. Furthermore, a good homogeneity of the polymer foam calls for a good mixing of the different reactants involved in the foaming and the polymerisation.A particularly powerful demonstration of the advantages of this approach is given by solidifying monodisperse liquid foams generated using millifluidic technique, in which all bubbles have the same size. In a liquid foam, equal-volume bubbles self-order into periodic, close-packed structures under gravity or confinement. As such, monodisperse foams provide simultaneous control over the size and the organisation of the pores in the final solid with an accuracy which is expected to give rise to a better understanding of the structure-property relationship of porous solids and to the development of new porous materials.We therefore aim to explore the new spectrum of properties, which polymer foams offer when we introduce an ordered structure into them since the most widely used polymer foams nowadays have disordered structures. The goal of our study is to demonstrate the feasibility of this two-step approach for different classes of polymers, including biomolecular hydrogel, superabsorbent polymer and polyurethane.For the generation of the structured polymer foams we use Lab-on-a-Chip technologies which allow the “shrinking” of large-scale set-ups to micro/millimetic scale. It permits also to perform “flow chemistry” in which the various liquid and gaseous ingredients of the foam are injected and mixed in a purpose-designed network of the micro- and millifluidic Lab-on-a-Chip. We adjust this approach according to the requirements of each polymer system, i.e. the foaming and the mixing techniques are chosen to fit the properties of each system, and can be exchanged to fit the properties of the studied systems.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

The fast development of DNA-encoded chemical libraries (DECL) in the past 10 years has received great attention from pharmaceutical industries. It applies the selection approach for small molecular drug discovery. Because of the limited choices of DNA-compatible chemical reactions, most DNA-encoded chemical libraries have a narrow structural diversity and low synthetic yield. There is also a poor correlation between the ranking of compounds resulted from analyzing the sequencing data and the affinity measured through biochemical assays. By combining DECL with dynamical chemical library, the resulting DNA-encoded dynamic library (EDCCL) explores the thermodynamic equilibrium of reversible reactions as well as the advantages of DNA encoded compounds for manipulation/detection, thus leads to enhanced signal-to-noise ratio of the selection process and higher library quality. However, the library dynamics are caused by the weak interactions between the DNA strands, which also result in relatively low affinity of the bidentate interaction, as compared to a stable DNA duplex. To take advantage of both stably assembled dual-pharmacophore libraries and EDCCLs, we extended the concept of EDCCLs to heat-induced EDCCLs (hi-EDCCLs), in which the heat-induced recombination process of stable DNA duplexes and affinity capture are carried out separately. To replace the extremely laborious and repetitive manual process, a fully automated device will facilitate the use of DECL in drug discovery. Herein we describe a novel lab-on-a-chip platform for high throughput drug discovery with hi-EDCCL. A microfluidic system with integrated actuation was designed which is able to provide a continuous sample circulation by reducing the volume to a minimum. It consists of a cooled and a heated chamber for constant circulation. The system is capable to generate stable temperatures above 75 °C in the heated chamber to melt the double strands of the DNA and less than 15 °C in the cooled chamber, to reanneal the shuffled library. In the binding chamber (the cooled chamber) specific retaining structures are integrated. These hold back beads functionalized with the target protein, while the chamber is continuously flushed with library molecules. Afterwards the whole system can be flushed with buffer to wash out unspecific bound molecules. Finally the protein-loaded beads with attached molecules can be eluted for further investigation

Este estudo tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de fabricação de sistemas Lab On Chip, úteis no estudo de processos celulares, a partir da adaptação de tecnologias próprias da microeletrônica. Foram exploradas todas as etapas envolvidas na fabricação de sistemas Lab On Chip em Poli-Di-Metil-Siloxano e desenvolvidos protocolos de fabricação de moldes, técnicas de moldagem e processos de ativação de PDMS com plasma de oxigênio para sua solda química sobre diferentes materiais, obtendo uniões irreversíveis que permitem a integração com outras tecnologias como a microeletrônica em silício e o encapsulamento com cerâmica verde, completando uma metodologia que permite a prototipagem de dispositivos micro-fluídicos de multicamadas com um nível de sofisticação comparável ao estado da arte. Foi desenvolvido o protótipo de um equipamento ótico para litografia por projeção que permite a fabricação de máscaras óticas com resolução de 5 m e oferece a possibilidade de litografia em escala de cinzas para gerar canais e estruturas com relevos arbitrários. Foram adicionalmente abordados três problemas de biofísica celular, para os quais foram propostos novos dispositivos para separação de células móveis de acordo às suas velocidades lineares, dispositivos para crescimento confinado de bactérias e dispositivos para manipulação da curvatura de membranas celulares. / The objective of this study is the development of a methodology for the fabrication of Lab On Chip systems, useful for the analysis of cellular processes, through the adaptation of technologies from microelectronics. All the steps involved with the fabrication of Lab on Chip system in Poly-Di-Methil-Siloxane (PDMS) were explored, developing protocols for mold fabrication, molding techniques and processes for oxygen plasma activation of PDMS for its bonding to different materials, achieving irreversible bonds that enable the integration with other technologies such as silicon microelectronics and green tape packaging. All this techniques constitute a methodology that allows the prototyping of multilayer microfluidic devices comparable with state of the art devices. It was developed the prototype of optical equipment for projection lithography capable of mask fabrication with 5 m resolution, and which offers also the capability of gray scale lithography for the generation of free form microchannels. Additionally three different problems in cellular biophysics where boarded, proposing new devices for the separation of motile cells according to their linear speeds in liquids, new devices for constrained bacterial growth and for curvature manipulation of cell membranes.

Reducing cost and time is a major concern in clinical diagnostics. Current molecular diagnostics are multi-step processes that usually take at least several hours or even days to complete multiple reagents delivery, incubations and several washing processes. This highly labor-intensive work and lack of automation could result in reduced reliability and low efficiency. The Laboratory-on-a-chip (LOC), taking advantage of the merger and development of microfluidics and biosensor technology, has shown promise towards a solution for performing analytical tests in a self-contained and compact unit, enabling earlier and decentralized testing. However, challenges are to integrate the fluid regulatory elements on a single platform and to detect target analytes with high sensitivity and selectivity. The goal of this research work is to develop an AC electrokinetic (ACEK) flow through concentrator for in-situ concentration of biomolecules and develop a comprehensive understanding of effects of ACEK flow on the biomolecule transport (in-situ concentration) and their impact on electronic biosensing mechanism and performance, achieving automation and miniaturization. ACEK is a new and promising technique to manipulate micro/bio-fluids and particles. It has many advantages over other techniques for its low applied voltage, portability and compatibility for integration into lab-on-a-chip devices. Numerical study on preconcentration system design in this work has provided an optimization rule for various biosensor designs using ACEK technique. And the microfluidic immunoassay lab-chip designed based on ACET effect has showed promising prospect for accelerated diagnostics. With optimized design of channel geometry, electrode patterns, and properly selected operation condition (ac frequency and voltage), the preconcentration system greatly reduced the reaction time to several minutes instead of several hours, and improved sensitivity of the assay. With the design of immunoassay lab-chip, one can quantitatively study the effect of ACET micropumping and mixing on molecular level binding. Improved sensors with single-chip form factor as a general platform could have a significant impact on a wide-range of biochemical detection and disease diagnostics including pathogen/virus detection, whole blood analysis, immune-screening, gene expression, as well as home land security.