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Neeti Phatak

• In special liquid-liquid, chemically stratified, micro-fluidic, lab-on-a-chip (LOC) systems, used in biological applications, rare bubble evolutions occur at temperatures far below the boiling point of the analyte solution, leading to erroneous analysis. The current, mainly experimental work, aims in providing a physical understanding to the above, and in closing, proposing solutions for the elimination/control of bubbles- for the overall betterment of such systems. The characterization of the heating cycler (via various calibration check experiments) and of the bi-liquid system (via various contact angle studies) revealed no prominent role of the above system components in the bubble occurrence phenomena. Also, the analysis of the amplification platform (via various contact angle and microscopic investigations) put forward good homogeneities and wettabilities of the surfaces in general. However, advanced microscopic investigations of the rare, 'thought to be infected' surfacesIn special liquid-liquid, chemically stratified, micro-fluidic, lab-on-a-chip (LOC) systems, used in biological applications, rare bubble evolutions occur at temperatures far below the boiling point of the analyte solution, leading to erroneous analysis. The current, mainly experimental work, aims in providing a physical understanding to the above, and in closing, proposing solutions for the elimination/control of bubbles- for the overall betterment of such systems. The characterization of the heating cycler (via various calibration check experiments) and of the bi-liquid system (via various contact angle studies) revealed no prominent role of the above system components in the bubble occurrence phenomena. Also, the analysis of the amplification platform (via various contact angle and microscopic investigations) put forward good homogeneities and wettabilities of the surfaces in general. However, advanced microscopic investigations of the rare, 'thought to be infected' surfaces revealed the presence of occasional surface inhomogeneities in the form of crater like structures (diameters ~2-8 µm, depths ~2 nm, peak heights ~10-200 nm)- such imperfections possibly serving as potential candidates for bubble formation(s) at higher working temperatures. The above analysis was as well supported by various HD, video recording nucleation studies, where laser engraved and lithographically etched micro-cavities (with aspect ratios 1:1 and 4:5) were seen entrapping gas- in analogy with the heterogeneous and crevice models of bubble nucleation. Further, a nucleation site was found to be more active when under water than under oil- such sites nevertheless observed to be most active when in the vicinity of the water-oil interface. Thus, whereas the solid-liquid interface was ruled out as the key interface responsible for the bubble nucleation phenomenon, HD, video recordings revealed liquid-liquid interface as the potential region where rapid bubble growths took place - lower bubble growth rates observed for the bubbles when nucleated in oil (~2 µm/sec) than in water (~7 µm/sec) and the growth rates almost exponentially increasing as the bubble approached the liquid-liquid interface (~ > 70 µm/sec). Mathematical calculations based on Henry’s law and HD, video recording, bubble shrinkage experiments, further indicated water-vapour to be the chief content of the fully grown-up bubbles (diameters ≥ 1000µm); water being converted into its vapour rapidly at the liquid-liquid interface, most likely feeding the bubbles as they approached this interfaces via diffusion (Marangoni/Thermo-capillary convection). Bubble nucleation was successfully supressed by lowering the temperature (minimum ~77°C) and/or by increasing the pressure (minimum ~70 kPa) of the system -as per pressure chamber experiments. Reduced bubble growths were observed by the addition of surfactants (1 vol% Tween 20) to the inner water mix- though surfactants proved not be highly efficient in hindering the overall bubble growths. For the bubbles that escaped the nucleation and the growth checks, merging of the adjacent droplets due to bubble bursts was found to be temporarily arrested by outer physical confinements (chambered PS/PDMS frames)- however virtual confinements in the form of superhydrophobic rings and/or superhydrophic regions outside the reaction sites proved not very competent in this regard.…
• Zur Vervielfältigung genetischen Materials wird oft die Methode der Polymerase Kettenreaktion (engl. PCR) verwendet. Im Rahmen dieser Dissertation wurden mikrofluidische Systeme untersucht, innerhalb derer in kleinsten Flüssigkeitmengen eine solche PCR durhgeführt werden sollte. Da PCR teilweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird, wurden hierbei die wässrigen Proben mit einem biokompatiblen Öl überschichtet. Dabei stellte sich heraus, daß sich gerade in Systemen mit flüssig-flüssig Grenzflächen, bei Temperaturen weit unterhalb des Siedepunktes der Analyselösung Blasen bilden können, deren Auftraten zu fehlerhaften Untersuchungsdaten führen kann. Die vorliegende – hauptsächlich experimentell basierte –Dissertation zielt darauf ab, ein tieferes Verständnis der physikalischen Abläufe des Blasenbildungsproblems in mikrofluidischen Systemen zu erlangen. Aus diesen Erkenntnissen sollten dann konkrete Lösungen zur Vermeidung bzw. Kontrolle der Blasenbildung abgeleitet werden, wasZur Vervielfältigung genetischen Materials wird oft die Methode der Polymerase Kettenreaktion (engl. PCR) verwendet. Im Rahmen dieser Dissertation wurden mikrofluidische Systeme untersucht, innerhalb derer in kleinsten Flüssigkeitmengen eine solche PCR durhgeführt werden sollte. Da PCR teilweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird, wurden hierbei die wässrigen Proben mit einem biokompatiblen Öl überschichtet. Dabei stellte sich heraus, daß sich gerade in Systemen mit flüssig-flüssig Grenzflächen, bei Temperaturen weit unterhalb des Siedepunktes der Analyselösung Blasen bilden können, deren Auftraten zu fehlerhaften Untersuchungsdaten führen kann. Die vorliegende – hauptsächlich experimentell basierte –Dissertation zielt darauf ab, ein tieferes Verständnis der physikalischen Abläufe des Blasenbildungsproblems in mikrofluidischen Systemen zu erlangen. Aus diesen Erkenntnissen sollten dann konkrete Lösungen zur Vermeidung bzw. Kontrolle der Blasenbildung abgeleitet werden, was letztendlich zu einer generellen Verbesserung der untersuchten Chiplabor-Systeme führen sollte. Eine ausführliche Charakterisierung des verwendeten Thermocyclers, des Geräts zur Durchführung der Temperaturschritte während der PCR sowie des Bi-Flüssigkeitssystems selbst ergab, daß hier keine wesentliche Ursache für die Entstehung der Blasenentwicklung zu finden ist. Auch die Analyse der mikrofluidischen Plattform, des so genannten Ampligrids zeigte generell gut ausgebildete Homogenitäten und Benetzbarkeiten der Oberflächen. Eingehende mikroskopische Untersuchungen ausgewählter, vermutlich verunreinigter Oberflächen zeigten jedoch die Anwesenheit gelegentlich auftretender Unregelmäßigkeiten in Form von kraterähnlichen Strukturen (ca. 2-8 µm Durchmesser, ca. 2 nm Tiefe und Gipfelhöhen zwischen 10-200 nm) in den Oberflächen und somit möglicherweise Störstellen, die als mögliche Kandidaten für Blasenbildung(en) bei höheren Arbeitstemperaturen in Frage kommen. Unsere Untersuchungen wurden durch hochauflösende Videoaufzeichnungen während der Keimbildung von Blasen unterstützt. Es konnte beobachtet werden, dass in Mikrokavitäten, die mittels Lasergravur und lithografischem Ätzen erzeugt wurden, kleine Gasmengen eingefangen und eingeschlossen werden können. Dies ist in guter Übereinstimmung mit Modellen zur heterogenitäts- und spalteninduzierten Blasenkeimbildung. Als weiteres Ergebnis konnte festgestellt werden, dass eine Keimbildungsstelle mehr aktiv ist, wenn sie unter Wasser liegt im Vergleich zu Öl. Allerdings ergab sich auch, das derartige Keimbildungsstellen am aktivsten sind, wenn sie sich in der Nähe einer Wasser-Öl-Grenze befinden. Während also ausgeschlossen werden konnte, dass die fest-flüssig Grenzen selbst eine Schlüsselrolle bei Keimbildungsphänomenen bei Blasen spielen, zeigten hochauflösende Videoaufzeichnungen flüssig-flüssig Grenzflächen als durchaus potentielle Regionen, in denen schnelles Blasenwachstum erfolgt: geringe Wachstumsraten ergaben sich für Blasen, deren Keimbildung in Öl erfolgte (ca. 2 µm/sec) im Vergleich zur Keimbildung in Wasser (ca. 7 µm/sec). Auch konnte beobachtet werden, dass Wachstumsraten nahezu exponentiell anwahsen, wenn eine Blase die flüssig-flüssig-Grenze erreicht ( > 70 µm/sec). Berechnungen, basierend auf dem Henry-Gesetz, sowie Ergebnisse hochauflösender Videoaufzeichnungen von Blasenschrumpfungs-Experimenten wiesen zudem darauf hin, daß die Hauptkomponente voll ausgebildeter Blasen (Durchmesser ≥ 1000µm) Wasserdampf ist; . Wasser, das an der flüssig-flüssig-Grenzfläche schnell in die Gasphase umgewandelt wird, speist sich sehr wahrscheinlich in die Blasen ein während sie sich dieser Grenzfläche annähern (Marangoni/ thermokapillare Konvektion). Aufbauend auf diesen Erkenntnissen konnte schliesslich die Keimbildung von Blasen während der PCR erfolgreich unterdrückt werden. Dies konnte entweder erreicht werden durch eine Erniedrigung der Temperatur im Prozess (Minimum ca. 77°C) und/oder durch eine Erhöhung des Drucks (Minimum ca. 70 kPa) innerhalb einer Druckkammer. Ein vermindertes Wachstum von Blasen konnte ebenfalls nach Zugabe von grenzflächenaktiven Substanzen (1 Volumen-% Tween 20) zum inneren Wassergemisch beobachtet werden. Allerdings stellte sich dieses Verfahren als nicht sehr wirkungsvoll in der Behinderung des insgesamten Blasenwachstums heraus. Bei den denjenigen Blasen, die den Keimbildungs- und Wachstumsprüfungen entkamen, konnte eine Verschmelzung benachbarter Tropfen infolge der platzenden Blasen zeitweilig durch die äußeren physikalischen Begrenzungen (gekammerte PS/PDMS Rahmen) gehemmt werden. Virtuelle Begrenzungen in Form superhydrophober Ringe und/oder superhydrophober Regionen ausserhalb der reaktiven Stellen erwiesen sich jedoch als diesbeszüglich nicht sehr wirkungsvoll.…