Stefan Clara,
"Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen"
, 11-2010
Original Titel:
Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Die Diplomarbeit befasst sich mit einem sogenannten Lab on Chip (LOC) System. Dabei handelt es sich um den Versuch, die Funktionalität eines Chemielabors zu miniaturisieren und auf einem Chip unterzubringen. Durch diese Verkleinerung sind ähnliche Vorteile wie bei den Halbleiter ICs erreichbar. Konkret heißt das:
-> Günstige Produktion durch Massenfertigung.
-> Kostenersparnis durch geringe Mengen an Reagenzflüssigkeiten.
-> Zeitersparnis durch hohe Parallelisierbarkeit.
Die Miniaturisierung eröffnen ganz neue Möglichkeiten, die erst durch die Änderung der Kräftedominanz von den Volumenkräften hin zu den Oberflächenkräften, ermöglicht werden. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen sich sehr einfach veranschaulichen:
Stellt L die charakteristische Länge eines Systems dar, so sind die Volumenkräfte FV proportional zu L^3, die Oberflächenkräfte FO hingegen proportional zu L^2. Für kleine Werte von L dominieren somit die Oberflächenkräfte. Durch all diese Veränderungen erlauben LOC-Systeme auch andere Einsatzbereiche wie z.B. Einweganalysegeräte, mobile Testsysteme und instantane Tests. Der behandelte Problembereich der LOC-Systeme wird in vier Teilbereiche unterteilt.
-> Die ersten beiden Abschnitte befassen sich mit dem Electrowetting (EWOD). Darunter wird das Bewegen von Flüssigkeitströpfchen auf speziellen Elektrodengeometrien verstanden. Es handelt sich dabei um ein digitales Mikrofluidik-Konzept, das mit Hilfe von elektrostatischen Kräften arbeitet. Um ein flexibles Electrowetting
System zu erhalten, müssen Grundoperationen, wie bewegen, erzeugen, teilen und mischen, effizient und zuverlässig funktionieren. Mit diesen Operationen lässt sich eine sehr breite Palette an chemischen Vorgängen im miniaturisierten Maßstab abarbeiten.
-> Im dritten Abschnitt geht es darum, mit Hilfe der Impedanzspektroskopie (IS), Informationen über die Zusammensetzung einer Flüssigkeit zu erhalten.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englische Kurzfassung:
The thesis describes a Lab on Chip (LOC) System. This is the attempt to miniaturise the functionality of a
chemistry laboratory and to integrate it on a chip. With this reduction in size similar advantages as with the semiconductor IC are to be expected, this means:
-> Cheaper fabrication because of mass production.
-> Cost reduction through less reagents.
-> Time savings with the help of parallelisation.
Additionally, completely new opportunities are possible through miniaturisation because of the replacement of the volume forces by the surface forces.
The physical laws behind this can be illustrated easily: If L is the characteristic length of a system, then the volume forces FV are proportional to L^3,
the surface forces FO on the other hand are proportional to L^2. For small values of L the surface forces dominate. Because of these changes the LOC systems
also allow other application areas like disposable analysers, mobile test devices and quicker tests.
The thesis is divided into four sections:
-> The first and second part refers to electrowetting systems (EWOD), that is, the movement of droplets on special electrodes.
In The first part: In this section a digital microfluidic concept that operates with electrostatic forces is presented. The basic operations like moving,
creating, dividing and mixing have to work reliably to get flexible electrowetting systems. With these operations it is possible to handle many chemical
processes on a miniaturised scale.
-> Section three shows how to get information about the composition of a fluid using impedance spectroscopy (IS). IS is a relative new measurement method
which analyses the complex impedance over a defined frequency range. Certain quantifiable electrical characteristics can be calculated out of this data.
IS can be used very flexibly. Some possible uses are for example: the measurement of corrosion [12], cell detection in biochemical systems [11] or the capacity
fade of lithium-ion batteries [13].