The article describes direct numerical simulations using an Euler–Lagrange approach with an immersed-boundary method to resolve the geometry and trajectory of particles moving in a flow. The presentation focuses on own work of the authors and discusses elements of physical and numerical modeling in some detail, together with three areas of application: microfluidic transport of spherical and nonspherical particles in curved ducts, flows with bubbles at different void fraction ranging from single bubbles to dense particle clusters, some also subjected to electro-magnetic forces, and bedload sediment transport with spherical and nonspherical particles. These applications with their specific requirements for numerical modeling illustrate the versatility of the approach and provide condensed information about main findings.

Für den Nachweis dieser Schadstoffe in niedrigen Konzentrationsbereichen sind schnelle und empfindliche Analysemethoden erforderlich. Molekular geprägte Polymere (MIPs) wurden als synthetische Materialien entwickelt, um die molekulare Erkennung von natürlichen Rezeptoren nachzuahmen, aufgrund ihrer Fähigkeit, selektiv eine Vielzahl von Analyten zu erkennen, ihre Stabilität und ihrer einfachen Herstellung. Sie sind zunehmend in der chemischen Sensorik als Rezeptormaterial für den Nachweis bestimmter Analyten bei niedrigen Konzentrationen zu finden, insbesondere in Kombination mit Fluoreszenz aufgrund dessen hoher Empfindlichkeit. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von optischen Sensormaterialien unter Verwendung von MIPs als Erkennungselemente im Zusammenhang mit Fluoreszenz zum sensitiven Nachweis von Herbiziden und Antibiotika in Wasser- und Lebensmittelproben and deren Kombination mit verschiedenen Vorrichtungsformaten für die zukünftige Detektion einer breiten Palette von wichtigen Analyten. / For the detection of these contaminants in low concentration ranges fast and sensitive analytical tools are required. Molecularly imprinted polymers (MIPs) have been used as synthetic materials mimicking molecular recognition by natural receptors due to their ability to recognize selectively a wide range of analytes, their stability and ease of synthesis. They have gained more and more attention in chemical sensing as receptor material for the detection of suitable groups of analytes at low concentrations especially in combination with fluorescence due to the latter’s high sensitivity. This work aimed the development of optical sensor materials using MIPs as recognition elements connected with fluorescence for the sensitive detection of herbicides and antibiotics in water and food samples and their combination with various device formats for the future detection of a wide range of analytes.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Übertragung der aus der Siliziumtechnologie bekannten Präzision der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnologie auf andere Materialien wie Kupfer und PMMA. Diese Untersuchung ist auf die Entwicklung der Teiltechnologien Strukturierung und Integration fokussiert und konzentriert sich insbesondere auf die Kombination von Mikrostrukturierung und dreidimensionalen Aufbautechniken einschließlich vertikaler fluidischer Durchkontaktierungen bei den Materialien Silizium, Kupfer und Kunststoff (PMMA). Eine begleitende Charakterisierung und messtechnische Bewertung gestattet die Weiterentwicklung während der Experimentedurchführung und erweitert den Stand der Wissenschaft hinsichtlich der genannten Kombinationen. / The work describes the transfer of well known high precisive and reliable micro technologies for patterning and packaging of Silicon to new materials like Copper and PMMA. This investigation is focused on special patterning technologies and system integration aspects. Furthermore the development of material-dependent micro patterning technologies and multi layer packaging techniques including vertical fluidic interconnects using materials like Silicon, Copper, and PMMA (polymer) is shown. An accompanying characterization and measurement-based evaluation enables the ongoing development while performing experimental analysis. At least a higher state of the art for these complex combinations is reached.

Rolled-up nanotechnology based on strain-engineering is a powerful tool to manufacture three-dimensional hollow structures made of virtually any kind of material on a large variety of substrates. The aim of this thesis is to address the key features of different on- and off-chip applications of rolled-up microtubes through modification of their basic framework. The modification of the framework pertains to the tubular structure, in particular the diameter of the microtube, and the material which it is made of, hence achieving different functionalities of the final rolled-up structure. The tuning of the microtube diameter which is adjusted to the individual size of an object allows on-chip studies of single cells in artificial narrow cavities, for example. Another modification of the framework is the addition of a catalytic layer which turns the microtube into a self-propelled catalytic micro-engine. Furthermore, the tuneability of the diameter can have applications ranging from nanotools for drilling into cells, to cargo transporters in microfluidic channels. Especially rolled-up microtubes based on low-cost and easy to deposit materials, such as silicon oxides, can enable the exploration of novel systems for several scientific topics. The main objective of this thesis is to combine microfluidic features of rolled-up structures with optical sensor capabilities of silicon oxide microtubes acting as optical ring resonators, and to integrate these into a Lab-on-a-Chip system. Therefore, a new concept of microfluidic integration is developed in order to establish an inexpensive, reliable and reproducible fabrication process which also sustains the optical capabilities of the microtubes. These integrated microtubes act as optofluidic refractrometric sensors which detect changes in the refractive index of analytes using photoluminescence spectroscopy. The thesis concludes with a demonstration of a functional portable sensor device with several integrated optofluidic sensors. / Die auf verspannten Dünnschichten basierende „rolled-up nanotechnologie“ ist eine leistungsfähige Methode um dreidimensionale hohle Strukturen (Mikroröhrchen) aus nahezu jeder Art von Material auf einer großen Vielfalt von Substraten herzustellen. Ausgehend von der Möglichkeit der Skalierung des Röhrchendurchmessers und der Modifikation der Funktionalität des Röhrchens durch Einsatz verschiedener Materialien und Oberflächenfunktionalisierungen kann eine große Anzahl an verschiedenen Anwendungen ermöglicht werden. Eine Anwendung behandelt unter anderem on-chip Studien einzelner Zellen wobei die Mikroröhrchen, an die Größe der Zelle angepasste, Reaktionscontainer darstellen. Eine weitere Modifikation der Funktionalität der Mikroröhrchen kann durch das Aufbringen einer katalytischen Schicht realisiert werden, wodurch das Mikroröhrchen zu einem selbstangetriebenen katalytischen Mikro-Motor wird. Hauptziel dieser Arbeit ist es Mikrometer große optisch aktive Glasröhrchen herzustellen, diese mikrofluidisch zu kontaktieren und als Sensoren in Lab-on-a-Chip Systeme zu integrieren. Die integrierten Glasröhrchen arbeiten als optofluidische Ringresonatoren, welche die Veränderungen des Brechungsindex von Fluiden im inneren des Röhrchens durch Änderungen im Evaneszenzfeld detektieren können. Die Funktionsfähigkeit eines Demonstrators wird mit verschiedenen Flüssigkeiten gezeigt, dabei kommt ein Fotolumineszenz Spektrometer zum Anregen des Evaneszenzfeldes und Auslesen des Signals zum Einsatz. Die entwickelte Integrationsmethode ist eine Basis für ein kostengünstiges, zuverlässiges und reproduzierbares Herstellungsverfahren von optofluidischen Mikrochips basierend auf optisch aktiven Mikroröhrchen.

This work is devoted to investigate light confinement in rolled-up microtubular cavities and their optofluidic applications. The microcavities are fabricated by a roll-up mechanism based on releasing pre-strained silicon-oxide nanomembranes. By defining the shape and thickness of the nanomembranes, the geometrical tube structure is well controlled. Micro-photoluminescence spectroscopy at room temperature is employed to study the optical modes and their dependence on the structural characteristics of the microtubes. Finite-difference-time-domain simulations are performed to elucidate the experimental results. In addition, a theoretical model (based on a wave description) is applied to describe the optical modes in the tubular microcavities, supporting quantitatively and qualitatively the experimental findings. Precise spectral tuning of the optical modes is achieved by two post-fabrication methods. One method employs conformal coating of the tube wall with Al2O3 monolayers by atomic-layer-deposition, which permits a mode tuning over a wide spectral range (larger than one free-spectral-range). An average mode tuning to longer wavelengths of 0.11nm/ Al2O3-monolayer is obtained. The other method consists in asymmetric material deposition onto the tube surface. Besides the possibility of mode tuning, this method permits to detect small shape deformations (at the nanometer scale) of an optical microcavity. Controlled confinement of resonant light is demonstrated by using an asymmetric cone-like microtube, which is fabricated by unevenly rolling-up circular-shaped nanomembranes. Localized three-dimensional optical modes are obtained due to an axial confinement mechanism that is defined by the variation of the tube radius and wall windings along the tube axis. Optofluidic functions of the rolled-up microtubes are explored by immersing the tubes or filling their core with a liquid medium. Refractive index sensing of liquids is demonstrated by correlating spectral shift of the optical modes when a liquid interacts with the resonant light of the microtube. In addition, a novel sensing methodology is proposed by monitoring axial mode spacing changes. Lab-on-a-chip methods are employed to fabricate an optofluidic chip device, allowing a high degree of liquid handling. A maximum sensitivity of 880 nm/refractive-index-unit is achieved. The developed optofluidic sensors show high potential for lab-on-a-chip applications, such as real-time bio/chemical analytic systems.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.

In novel drug delivery system, the encapsulation of therapeutic cells in microparticles has great promises for the treatment of a range of health con- ditions. Therefore, the encapsulation material and technology are of great importance to the validity and efficiency of the advanced medical therapy. Several unsolved challenges in regards to versatile microparticle synthesis ma- terials and methods form the main obstacle for a translation of novel cell therapy concepts from research to clinical practice. Thiol-ene based polymer systems have emerged and gained great popular- ity in material development in general and in biomedical applications specif- ically. The thiol-ene platform is broad and therefore of interest for a variety of applications. At the same time, many aspects of this material platform are largely unexplored, for example material and manufacturing technology developments for microfluidic applications . In this Ph.D. thesis, thiol-ene materials are explored for use in cell encap- sulation. The marriage of these two technology fields breeds the possibility for a novel microfluidic cell encapsulation approach using a novel encapsulation material. To this end, several new manufacturing technologies for thiol-ene and thiol-ene-epoxy droplet microfluidic devices were developed. Moreover, core-shell microparticle synthesis for cell encapsulation based on a novel co- synthesis concept using a thiol-ene based material was developed and inves- tigated. Finally, a thiol-ene-epoxy system was also used for the formation of microwells and microchannels that improve protein analysis on microarrays. The first part of the thesis presents the background and state-of-the-art technologies in regards to cell therapy, microfluidics, and thiol-ene based ma- terials. In the second part of the thesis, a novel manufacturing approach of thiol-ene-epoxy material as well as core-shell particle co-synthesis in micro- fluidics using thiol-ene based material are presented and characterized. The third part of the thesis presents the cell viability studies of encapsulated cells using the novel encapsulation material and method. In the final part of the thesis, two applications of thiol-ene-epoxy gaskets for protein detection mi- croarrays are presented. / Inkapsling av levande celler i mikrokapslar för terapeutiska ändamål är mycket lovande för frmatida behandling av många olika sjukdomar. Emeller- tid är en behandlings effektivitet i hög grad beroende av vilka material som används för inkapsling och vilken teknisk lösning som används för att ska- pa mikrokapslarna. För närvarande återstår det många utmaningar för att omvandla grundforskningresultat till klinisk verklighet, vilken kräver mer än- damålsenliga tillvägagångssätt för att tillverka mikrokapslar i material som är kompatibla med användningsområdena. De senaste åren har tiol-en baserade polymerer har blivit mycket använda för materialutveckling i stort och för biomedicinska tillämpningar i synnerhet. Med tiol-en kemi kan en mycket stor mängd helt olika syntetiska material framställas, vilket gör tiol-ener intressanta för en mängd applikationer. För närvarande är dock mycket inom denna materialklass outforskat, t.ex. inom material och tillverkningmetodik för mikrofluidiktillämpningar. I denna avhandling används tiol-ener för cellinkapsling. Sammanslagning av dessa teknologier möjliggör en ny typ av cellinkapsling med nya materi- alegenskaper. En mängd olika tillverkningssätt där tiol-en eller tiol-en-epoxi används för droplet-mikrofluidiksystem utvecklades. Core-shell mikrokapsel- syntes för cell-inkapsling baserat på en ny metod för samtidig syntes av både core och shell utvecklades och karaktäriserades. Slutligen utvecklades ett tiol- en-epoxi system för enkel integrering med proteinmikroarrayer på objektsglas. I avhandlingens första del presenteras bakgrund och dagens bästa teknolo- gier för terapeutisk cellinkapsling, mikrofluidik och tiol-en baserade material. I avhandlingens andra del presenteras en ny tillverkningsmetod för mikro- strukturerade tiol-en-epoxi artiklar och samtidig syntes av core och shell för mikrokapslar med användande av mikrofluidik. I den tredje delen presenteras cellöverlevandsstudier för de celler som inkapslats med de nya materialen och de nyutvecklade metoderna. I den avslutande delen beskrivs två specifika fall där tiol-en-epoxi komponenter används för proteindetektion och mikroarrayer. / <p>QC 20171122</p>

Rolled-up nanotechnology based on strain-engineering is a powerful tool to manufacture three-dimensional hollow structures made of virtually any kind of material on a large variety of substrates. The aim of this thesis is to address the key features of different on- and off-chip applications of rolled-up microtubes through modification of their basic framework. The modification of the framework pertains to the tubular structure, in particular the diameter of the microtube, and the material which it is made of, hence achieving different functionalities of the final rolled-up structure. The tuning of the microtube diameter which is adjusted to the individual size of an object allows on-chip studies of single cells in artificial narrow cavities, for example. Another modification of the framework is the addition of a catalytic layer which turns the microtube into a self-propelled catalytic micro-engine. Furthermore, the tuneability of the diameter can have applications ranging from nanotools for drilling into cells, to cargo transporters in microfluidic channels. Especially rolled-up microtubes based on low-cost and easy to deposit materials, such as silicon oxides, can enable the exploration of novel systems for several scientific topics. The main objective of this thesis is to combine microfluidic features of rolled-up structures with optical sensor capabilities of silicon oxide microtubes acting as optical ring resonators, and to integrate these into a Lab-on-a-Chip system. Therefore, a new concept of microfluidic integration is developed in order to establish an inexpensive, reliable and reproducible fabrication process which also sustains the optical capabilities of the microtubes. These integrated microtubes act as optofluidic refractrometric sensors which detect changes in the refractive index of analytes using photoluminescence spectroscopy. The thesis concludes with a demonstration of a functional portable sensor device with several integrated optofluidic sensors. / Die auf verspannten Dünnschichten basierende „rolled-up nanotechnologie“ ist eine leistungsfähige Methode um dreidimensionale hohle Strukturen (Mikroröhrchen) aus nahezu jeder Art von Material auf einer großen Vielfalt von Substraten herzustellen. Ausgehend von der Möglichkeit der Skalierung des Röhrchendurchmessers und der Modifikation der Funktionalität des Röhrchens durch Einsatz verschiedener Materialien und Oberflächenfunktionalisierungen kann eine große Anzahl an verschiedenen Anwendungen ermöglicht werden. Eine Anwendung behandelt unter anderem on-chip Studien einzelner Zellen wobei die Mikroröhrchen, an die Größe der Zelle angepasste, Reaktionscontainer darstellen. Eine weitere Modifikation der Funktionalität der Mikroröhrchen kann durch das Aufbringen einer katalytischen Schicht realisiert werden, wodurch das Mikroröhrchen zu einem selbstangetriebenen katalytischen Mikro-Motor wird. Hauptziel dieser Arbeit ist es Mikrometer große optisch aktive Glasröhrchen herzustellen, diese mikrofluidisch zu kontaktieren und als Sensoren in Lab-on-a-Chip Systeme zu integrieren. Die integrierten Glasröhrchen arbeiten als optofluidische Ringresonatoren, welche die Veränderungen des Brechungsindex von Fluiden im inneren des Röhrchens durch Änderungen im Evaneszenzfeld detektieren können. Die Funktionsfähigkeit eines Demonstrators wird mit verschiedenen Flüssigkeiten gezeigt, dabei kommt ein Fotolumineszenz Spektrometer zum Anregen des Evaneszenzfeldes und Auslesen des Signals zum Einsatz. Die entwickelte Integrationsmethode ist eine Basis für ein kostengünstiges, zuverlässiges und reproduzierbares Herstellungsverfahren von optofluidischen Mikrochips basierend auf optisch aktiven Mikroröhrchen.

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.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Scope of this thesis 2 1.3 State of the art 3 2 Fundamentals 2.1 Millifluidics vs. microfluidics 5 2.1.1 Droplet based microfluidics 6 2.1.2 Surfactant in droplet-based millifluidics 7 2.2 The model of microorganism growth 8 2.3 The fluorescence based detection 9 3 Materials & Methods 3.1 The culture of the microorganisms and preparation 11 3.1.1 The Paramecium tetraurelia 11 3.1.2 Pseudomonas fluorescens 12 3.1.3 Escherichia coli 12 3.1.4 The bacteria culture 13 3.2 The Poisson distribution . 15 3.3 The composition of the emulsion 16 3.4 The fluidic components 17 3.5 Modules of the Fluorescent Droplet Analyser 18 3.5.1 The optocoupled relay card 18 3.5.2 The used fluidic pumps 19 3.5.3 The photonic elements of the FDA 19 3.5.4 The light sources 21 3.5.5 The optical fibres 23 3.5.6 The used detectors 23 3.6 The operating Software 24 4 The Fluorescent Droplet Analyser 4.1 The fluidic network for droplet generation and shuttling 26 4.1.1 Generation of a droplet sequence 28 4.1.2 Measuring a droplet sequence 30 4.2 The electric schematics of the FDA 31 4.3 The light source, guidance, and detection 32 4.3.1 Preparation of the fibres 33 4.3.2 The detection setup 35 4.4 The developed LabView program for operating the FDA 37 4.4.1 The automated measurement process 40 4.4.2 The peak mode 41 4.4.3 The time mode 42 4.4.4 The combined mode 42 4.4.5 The dynamic threshold 42 4.5 The developed VI program for analysing the data of the FDA 44 4.6 Flow characteristics of the FDA 46 4.6.1 Basic flow characteristics 46 4.6.2 Characteristics for shuttling of a droplet sequence 47 4.6.3 Influence of the hydrodynamic resistance 48 5 Monitoring of Paramecium tetraurelia 5.1 Introduction 51 5.2 Generation of a droplet sequence for Paramecium tetraurelia 53 5.3 Metabolic dynamics in droplets 54 5.4 Ecotoxicity assays 58 6 Monitoring of bacteria 6.1 Introduction 63 6.2 Generation of a droplet sequence for the bacteria experiments 64 6.3 Cell number calibration of the FDA 65 6.4 Monitoring of the bacteria growth 68 6.5 Investigation of the of the fluorescence signal 70 6.6 One bacteria cell in a droplet 71 6.7 The determination of the minimum inhibitory concentration 74 6.8 Long-term monitoring 80 6.9 Sectioning of the droplet sequence 80 6.10 Multicolor fluorescence detection 83