<p>  </p> <p>High-resolution enclosed channels/fibers are highly demanded by different disciplines such as microfluidic channels for chemical synthesis, bioreactors for drug metabolism, magnetic locomotor for drug delivery, and wearable devices for motion detection. However, the current fabrication techniques for enclosed channels/fibers are restricted to a few millimeters in size. Their manufacturing often involves time and energy-consuming multi-step processes with insufficient resolution. In this work, we demonstrate a novel co-flow-enabled fabrication method to resolve the technological restrictions in the fabrication of high-resolution enclosed channels/fibers with efficient production time, controllable morphologies, and high throughput manner.</p> <p>An epoxy-based enclosed microfluidic channel was first built. A non-reactive paraffin oil and a liquid resin were pumped into a 3D-printed co-flow generator and worked as core and shell fluids, respectively. The epoxy resin was cured by external heat stimulus. As a result, the reaction region was limited between the generator wall surface and the boundary of core flow, eliminating the need for precise control over the curing system. The experiment was successfully conducted to cure build resin channel inside copper and resin tubes with good shell thickness.</p> <p>Conductive hollow hydrogel microfibers were also fabricated by this method. Sodium Alginate and Calcium Chloride were chosen as the shell and core flows, respectively. The ionic crosslinking happens at the boundary of two flows and expands outwards across the radial direction. Thus, the diameter of the hollow channel can be easily adjusted by tuning the flow rate and the size of the core flow injection needle. PEDOT: PSS, a conductive polymer, was mixed with Sodium Alginate to impart fibers with excellent electrical conductivity. The synthesized hollow microfibers have shown their functionality in stretching movement detection by serving as a fundamental building element of motion sensors. </p>

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La volonté actuelle de réduire les risques environnementaux et humains amène les chercheurs à trouver de nouvelles solutions de traitement-recyclage poussé des combustibles usés. Dans le but de réduire les volumes d’effluents qu’elle génère, ses temps de réponse et son coût, la miniaturisation de l’analyse chimique en ligne constitue l’un des principaux enjeux de ces recherches. Dans ce contexte, le présent manuscrit traite de la conception, du dimensionnement, de la fabrication et de la caractérisation d’un capteur spectrophotométrique intégré sur verre borosilicate, pour l’analyse des cations radioactifs. Le dispositif, nommé « guide à nanocanal », est réalisé à l’aide des techniques de gravure sèche par plasma et d’échange d’ions. Il contient un coeur ruban surmonté d’un canal de (100 ± 10) nm de profondeur et d’un coeur plan, et permet la propagation d’un mode hybride optimisant ainsi l’interaction fluide/onde guidée sur un large domaine de longueurs d’ondes. Des mesures spectrales d’une solution de nitrate de néodyme en milieu nitrique peu acide (pH 2) et un traitement statistique ont permis de démontrer une limite de détection minimale en terme de coefficient d’absorption de (3,7 ± 0,9) x 10-3 cm-1 sur une longueur de (3,70 ± 0,05) cm et un volume de seulement (7 ± 3) nL. Une structure permettant d’augmenter la longueur d’interaction et donc de diminuer la limite de détection est proposée en perspectives de ce travail, de même qu’une étude préliminaire pour l’utilisation du dispositif en milieu actif. / The current will of reducing environment and human hazards has led the scientists to imagine new solutions for nuclear waste reprocessing. Miniaturized online chemical analysis of industrial processes has in particular an important role to play to reduce effluent volumes, response times and costs. In this context, we present the design, fabrication and characterization of an integrated spectrophotometric sensor on glass for chemical analysis of radioactive cations. The device is called a ―nanochannel waveguide‖ and is fabricated by reactive ion etching and ion exchange on glass. It is made of two borosilicate glass wafers bonded together. The first one contains a strip core and the second one a (100 ±10) nm deep nanochannel and a slab core. It allows the propagation of a hybrid mode, optimizing the fluid/guide wave interaction on a large wavelength range. Spectrometric measurements of a neodymium nitrate in nitric acid (pH 2) followed by statistical treatment have led to a limit of detection in terms of absorption coefficient of (3.7 ± 0.9) x 10-3 cm-1 for a device length of (3.70 ± 0.05) cm and fluid volume as low as (7 ± 3) nL. A structure allowing to increase the interaction length and therefore further decrease the detection limit has been proposed as an outlook of this work, and a preliminary study for use in a nuclear environment has been performed.

Les charges à l'interface liquide/solide sont un élément originel majeur des phénomènes électrocinétiques observés en micro/nanofluidique. Elles sont donc la colonne vertébrale de mon manuscrit de thèse, qui se décompose en trois parties : Dans la première partie, un rappel des concepts de base sur les interfaces liquides/solides est proposé au lecteur. Il est suivi d'une description des différentes méthodes expérimentales permettant de mesurer le potentiel zeta de couples solide/électrolyte, puis d'une présentation des travaux de la littérature exploitant les charges aux interfaces pour la préconcentration de molécules biologiques dans des systèmes Micro-Nano-Micro (MNM) fluidiques. Ensuite, une deuxième partie est consacrée à la mesure du potentiel zeta par la méthode des courants d'écoulement. Nous y présentons l'amélioration du banc expérimental issu des travaux antérieurs à ma thèse, ainsi que le développement de nouveaux protocoles de préparation des surfaces permettant de rationaliser et de stabiliser les mesures. Une application à un détecteur original de molécules biologiques clos cette deuxième partie. Enfin, la troisième et dernière partie s'intéresse à la préconcentration de molécules biologiques. Une méthode originale de fabrication des dispositifs MNM et les résultats de préconcentration obtenus, très encourageants, sont décrits. Des premiers modèles numériques et phénoménologiques sont proposés, qui mettent en avant l'originalité de notre travail / The charges at liquid/solid interfaces are a key element for both understanding and exploiting the electrokinetic phenomena in micro/nanofluidics. The manuscript of my Ph.D thesis is dedicated to these phenomena, which is divided into three main parts: Above all, a simple overview of charges at the liquid/solid interface is proposed. Then, several common methods for measuring the zeta potential at the liquid/solid interface are described. Next, various effective methods to preconcentrate the biological molecules is presented with the help of the surface charges. Secondly, the streaming current, which is a standard method to measure the zeta potential in our laboratory, is detailed. It contains the upgrade of the experimental setup from the previous version and the development of new protocols, which improve dramatically the stabilization and the reproducibility of the measurements. In addition, an original biological sensor is briefly presented based on these advancements. Lastly, in the final part, we describe a method which is primitively utilised in the fabrication of Micro-Nano-Micro fluidic system. Based on this system, some favorable preconcentration results is obtained. Moreover, numerical simulations are presented to prove the originality of our work

In this work, alternating current (AC) electric fields are used in combination with microfluidics to manipulate micro- and nano-sized particles and to probe the electrical characteristics of microchannels with potential application in portable diagnostics. This work was carried out as contribution to a collaborative research project involving researchers from chemistry, electrical engineering and mechanical engineering at the University of Victoria, in addition to researchers from the BC Cancer Deeley Research Centre. The manipulation of particles or cells within a microchannel flow is central to many microfluidic applications. In the context of diagnostics that utilize antibodies in serum, for example, the removal of cells from the sample is often required. Continuous removal of particles and cells is particularly critical in the case of flow-through nanohole array based sensing, as these serve as fine filters and thus are very susceptible to clogging. In this work, chevron shaped, interdigitated electrodes are used to produce dielectrophoretic forces in combination with hydrodynamic drag to displace particles from their corresponding streamlines to the center of a microchannel. Analytical and finite element modeling are used to provide insight into the focusing mechanism. Dielectrophoresis (DEP) also offers opportunities for particle manipulation in combination with porous media. In this preliminary work, the viability of dielectrophoresis tuned nano-particle transport in a nanohole array is investigated through analytical and numerical modeling. The effects of hydrodynamic drag and Brownian motion are considered in the context of applied voltage, flow rate and particle size. Preliminary flow-through tests are performed experimentally as proof of concept. The final contribution focuses primarily on external infrastructure that enables AC microfluidic diagnostics, with particular relevance to portable device applications and so-called point-of-care devices. Cell phones, and mp3 players are examples of consumer electronics that are easily operated and are ubiquitous in both developed and developing regions. Audio output (play) and input (record) signals are voltage-based and contain frequency and amplitude information. Audio signal based concentration, conductivity, flow rate, and particle detection measurements are demonstrated in a microfluidic platform.

Cette thèse décrit diverses situations liées au transport fluidique aux nano-échelles. Le premier chapitre est une introduction à la nanofluidique qui contient une revue des longueurs caractéristiques, des forces et des phénomènes présents aux nano-échelles. Le deuxième chapitre est une étude de l'impact de la géométrie sur la perméabilité hydrodynamique d'un nanopore. Inspirée par la forme des aquaporines, cette étude suggère une optimisation possible pour des canaux biconiques. Le troisième chapitre est une étude du remplissage capillaire dans des canaux sub-nanométriques en carbone. Cette étude montre l'importance de la pression de disjonction induite par la structure du fluide sur le remplissage. Le quatrième chapitre est une étude d'une diode nanofluidique, un composant connu pour imiter le comportement d'une diode à semi-conducteur. On montre qu'un fort couplage entre l'eau et la dynamique des ions entraîne une rectification du flux d'eau à l'intérieur de la diode. Le cinquième et dernier chapitre est une étude de l'origine du bruit rose (1=f) communément observé lors des mesures de courant ionique dans les nanopores / This thesis discusses various situations linked to transport at the nanoscale. The first chapter is an introduction to nanofluidics, containing a review of characteristic lengths, forces, or phenomena existing at the nanoscale. The second chapter is a study of the impact of geometry on the hydrodynamic permeability of a nanopore. This study, inspired by the shape of aquaporins, suggests a possible optimisation of permeability for bi-conical channels. The third chapter is a study of capillary filing inside subnanometric carbon channels which highlights the importance of the disjoining pressure induced by the fluid structuring inside the nanochannel. The fourth chapter is a study of nanofluidic diode, a component known to mimic the behaviour of semiconductor diode. The study highlights a strong coupling between water and ion dynamics which leads to a water flow rectification inside the diode. The fifth and last chapter is a study of the origin of commonly observed pink noise (1=f) in ionic current measurements through nanopores

Ce manuscrit présente une description théorique des propriétés de transport exceptionnelles des liquides dans les nanotubes de carbone (CNT). La perméabilité de ces canaux dépasse largement ce qui est prévu par les équations de l'hydrodynamique et la condition limite de non-glissement. Au cours des dernières années, plusieurs groupes ont effectué des expériences d'écoulement de liquides dans des membranes de CNT. Une perméabilité très supérieure à l'attente classique a été observée. Dans ce contexte, nous avons mené une étude exhaustive du frottement liquide/solide qui apparaît pendant l'écoulement d'un fluide dans un CNT, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Le coefficient de frottement a été mesuré pour différents systèmes en utilisant plusieurs méthodes indépendantes. Les simulations ont montré que le coefficient de frottement était indépendant du confinement, mais qu'il dépendait considérablement de la courbure de la paroi. Pour l'eau dans un CNT, le coefficient de frottement diminue avec le rayon du tube. Nous avons ensuite établi une expression approchée du coefficient de frottement, qui le relie à des propriétés microscopiques de l'interface entre le liquide et la paroi. Cette expression reproduit la dépendance du coefficient de frottement avec la courbure, et permet de l'expliquer à partir des trois paramètres statiques suivants : la densité surfacique de l'eau, la rugosité de la paroi et la commensurabilité entre les structures de la paroi et de la première couche d'eau à l'interface. En résumé, notre étude a permis une compréhension détaillée du frottement de l'eau dans les CNT, qui explique l'origine de sa valeur extrêmement basse. / Within the scope of this thesis, a theoretical study of liquid flow in graphitic nanopores was performed. More precisely, a combination of numerical simulations and analytic approach was used to establish the special properties of carbon nanotubes for fluid transport: Molecular dynamics flow simulations of different liquids in carbon nanotubes exhibited flow velocities that are 1-3 orders of magnitude higher than predicted from the continuum hydrodynamics framework and the no-slip boundary condition. These results support previous experiments performed by several groups reporting exceptionally high flow rates for water in carbon nanotube membranes. The reason for this important flow enhancement with respect to the expectation was so far unclear. In this work, a careful investigation of the water/graphite friction coefficient which we identified as the crucial parameter for fast liquid transport in the considered systems was carried out. In simulations, the friction coefficient was found to be very sensitive to wall curvature: friction is independent of confinement for water between at graphene walls with zero curvature, while it increases with increasing negative curvature (water at the outside of the tube), and it decreases with increasing positive curvature (water inside the tube), eventually leading to quasi frictionless flow for water in a single file configuration in the smallest tubes. A similar behaviour was moreover found with several other liquids, such as alcohol, alcane and OMCTS. urthermore, a theoretical approximate expression for the friction coefficient is presented which predicts qualitatively and semi-quantitatively its curvature dependent behavior. Moreover, a deeper analysis of the simulations according to the proposed theoretical description shed light on the physical mechanisms at the origin of the ultra low liquid/solid friction in carbon nanotubes. In fine, it is due to their perfectly ordered molecular structure and their atomically smooth surface that carbon nanotubes are quasi-perfect liquid conductors compared to other membrane pores like, for example, nanochannels in amorphous silica. The newly gained understanding constitutes an important validation that carbon nanotubes operate as fast transporters of various liquids which makes them a promising option for different applications like energy conversion or filtration on the molecular level.

L'analyse cinétique d'interactions de protéines offre une multitude d'informations sur les fonctions physiologiques de ces molécules au sein de l'activité cellulaire, et peut donc contribuer à l'amélioration des diagnostics médicaux ainsi qu'à la découverte de nouveaux traitements thérapeutiques. La résonance plasmonique de surface (SPR) est la technique de biodétection optique de référence pour les études cinétiques d'interaction de molécules biologiques. Si la SPR offre une détection en temps réel et sans marquage, elle nécessite en revanche des équipements coûteux et sophistiqués ainsi que du personnel qualifié, limitant ainsi son utilisation au sein de laboratoires de recherche académiques. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme de biodétection basée sur l'utilisation de nanofentes biofonctionnalisées combinées avec une détection par microscopie à fluorescence. Ce système permet l'observation en temps réel d'interactions protéines-protéines et la détermination des constantes cinétiques associées, avec des temps de réponse optimisés et une excellente efficacité de capture. La fonctionnalité du système a été démontrée par l'étude des cinétiques d'interaction de deux couples modèles de différentes affinités : le couple streptavidine/biotine et le couple IgG de souris/anti-IgG de souris. Une très bonne cohérence entre les constantes cinétiques extraites, celles obtenues par des expériences similaires réalisées en SPR et les valeurs rapportées dans la littérature montre que notre approche pourrait être facilement applicable pour l'étude cinétique d'interactions de protéines avec une sensibilité allant jusqu'au pM, sur une large gamme de constantes de dissociation. De plus, nous avons intégré un générateur de gradient de concentrations microfluidique en amont de nos nanofentes, permettant ainsi des mesures simultanées de cinétiques d'interactions à différentes concentrations d'analyte en une seule expérience. Ce système intégré offre de nombreux avantages, tels qu'une réduction de la consommation des réactifs et des temps d'analyse par rapport aux approches séquentielles classiques. Cette technologie innovante pourrait ainsi être un outil précieux non seulement pour les domaines du biomédical et de la médecine personnalisée mais aussi pour la recherche fondamentale en chimie et biologie. / Kinetic monitoring of protein-protein interactions offers fundamental insights of their cellular functions and is a vital key for the improvement of diagnostic tests as well as the discovery of novel therapeutic drugs. Surface plasmon resonance (SPR) is an established biosensor technology routinely used for kinetic studies of biomolecular interactions. While SPR offers the benefits of real-time and label-free detection, it requires expensive and sophisticated optical apparatus and highly trained personnel, thus limiting the accessibility of standard laboratories. In this PhD project, we have developed an alternative and cost-effective biosensor platform exploiting biofunctionalized nanofluidic slits, or nanoslits, combined with a bench-top fluorescence microscope. Our approach enables the visualization of protein interactions in real-time with the possibility to determine associated kinetic parameters along with optimized response times and enhanced binding efficiency. We have demonstrated the effectiveness of our devices through kinetic studies of two representative protein-receptor pairs with different binding affinities: streptavidin-biotin and mouse IgG/anti-mouse IgG interactions. Good agreement of extracted kinetic parameters between our device, SPR measurements and literature values indicated that this approach could be readily applicable to study kinetics of protein interactions with sensitivity down to 1 pM on a large scale of dissociation constants. In addition, we have incorporated a microfluidic gradient generator to our validated nanoslit device, which has allowed one-shot parallel kinetic measurements to be realized in a single-experiment. This integrated system provides advantages of diminished material consumption and analysis time over the conventional kinetic assays. We believe that this innovative technology will drive future advancements not only in the discipline of biomedical and personalized medicine, but also in basic chemical/biological research.

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Lab-on-a-chip devices, also known as micro total analysis systems (μTAS), are implementations of chemical analysis systems on microchips. These systems can be fabricated using standard thin film processing techniques. Microfluidic and nanofluidic channels are fabricated in this work through sacrificial etching. Microchannels are fabricated utilizing cores made from AZ3330 and SU8 photoresist. Multi-channel electroosmotic (EO) pumps are evaluated and the accompanying channel zeta potentials are calculated. Capillary flow is studied as an effective filling mechanism for nanochannels. Experimental departure from the Washburn model is considered, where capillary flow rates lie within 10% to 70% of theoretical values. Nanochannels are fabricated utilizing cores made from aluminum, germanium, and chromium. Nanochannels are made with 5 μm thick top layers of oxide to prevent dynamic channel deformation. Nanochannel separation schemes are considered, including Ogston sieving, entropic trapping, reptation, electrostatic sieving, and immutable trapping. Immutable trapping is studied through dual-segment nanochannels that capture analytes that are too large to pass from one channel into a second, smaller channel. Polymer nanoparticles, Herpes simplex virus type 1 capsids, and hepatitis B virus capsids are trapped and detected. The signal-to-noise ratio of the fluorescently-detected signal is shown to be greater than 3 for all analyte concentrations considered.