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

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.

Ce travail porte sur le développement d’une technique de calorimétrie sans contact pour des écoulements diphasiques. Ces derniers sont réalisés sur la forme d’un train gouttes dans des tubes de taille millimétriques dans des supports isopériboliques. L’idée principale est de coupler la Thermographie Infrarouge et les outils microfluidiques pour proposer une technique adapté de mesure. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions réalisées au sein des gouttes, l’outil Infrarouge permet de suivre ces écoulements avec grande précision. Les résultats de ces travaux de thèse montrent que l’outil est capable d’estimer des propriétés thermo-physiques des écoulements non réactifs. Ainsi, que de caractériser de réactions chimiques en termes d’enthalpie et cinétique. Finalement cette dernière caractérisation a été comparée aux techniques classiques pour mettre en évidence la précision et les avantages de l’outil développé / This work concerns the development of a non-contact calorimeter for two-phase flow characterization. The biphasic flow is performed under a droplet configuration inside millimetric tubings which are inserted into the isoperibolic chip. The main idea is to combine the Infrared Thermography and microfluidic tools to propose a suitable technique for accurate measurements. Microfluidics enables the use of small reaction volumes thus limiting any risk of dangerous reactions inside droplets, the Infrared tool enables to monitor the thermal signature of these flows with high accuracy. The results of this thesis show that this tool is able to estimate the thermophysical properties of non-reactive flows. Also , it is possible to characterize chemical reactions in terms of enthalpy and kinetics . Finally the latter characterization was compared to conventional techniques to demonstrate the benefits and the precision of the tool.