Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mikrofluidisches Impedanz-basiertes Durchflusszytometer präsentiert, welches im Radiofrequenzbereich arbeitet. Der Sensor basiert auf einer tubulären Elektrodengeometrie in einer Mikrorolle, gefertigt durch selbst-organisiertes Aufrollen eines verspannten Metall/Halbleiter-Hybridsystems, bestehend aus Au/Cr/ GaAs/InGaAs. Durch die flüssigkeitsundurchlässige Integration der Mikrorolle in ein Mikrokanalsystem aus Fotolack wird eine zylinderförmige Kanalgeometrie an der Sensorregion erzielt. Hierzu wird eine Verfahrenstechnik zur Beseitigung der Fotolackkanten auf kleinformatigen Substraten entwickelt. Die Mikrokanäle werden mittels einer Kombination aus Polydimethylsiloxan und Acrylglass abgedichtet.
Aufgrund der Verwendung von hochfrequenten Testsignalen ist eine Optimierung des elektrischen Schaltkreises nötig. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, wird ein Resonanzschwingkreis verwendet, der die Impedanz des Bauteils der Ausgangsimpedanz des Radiofrequenzgenerators anpasst. Hierbei werden Resonanzfrequenzen um 175MHz erzielt.
Die Überlegenheit des aufgerollten koplanaren Wellenleiters gegenüber konventionellen planaren Elektroden wird durch Sensitivitätsvergleiche in Flüssigkeitsmessungen gezeigt. Hierbei wird die frequenzabhängige Reflektion des Bauteils aufgenommen, welches mit Luft beziehungsweise mit phosphatgepufferter Salzlösung gefüllt ist. Eine Verbesserung der Sensitivität um einen Faktor von ungefähr ~3 wird beobachtet. Zusätzlich zu dem aufgerollten koplanaren Wellenleiter werden weitere aufgerollte Elektrodengeometrien untersucht. In zeitaufgelösten flusszytometrischen Messungen wird der konventionelle koplanare Wellenleiter
mit einem aufgerolltenWellenleiter verglichen. Es wird eine um einen Faktor von ~1.4 erhöhte Sensitivität gefunden. Schnellere Durchgangszeiten der Zellen durch die zylindrischen Kanäle des aufgerollten Bauteils werden festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass sich Mikrorollen exzellent gegenüber rechteckigen Kanälen als Engführungen zur Eliminierung von Leckströmen eignen.
Die experimentellen Ergebnisse werden mittels Finite-Elemente-Simulationen belegt und erweitert. Ähnlich wie im Experiment zeigen die Simulationen eine erhöhte Sensitivität des aufgerollten koplanaren Wellenleiters gegenüber der planare Elektrodenstruktur. Darüber hinaus zeigt die aufgerollte Struktur eine geringere Abhängigkeit der Reflektionsantwort von der Position des Teilchens im Mikrokanal.
For this thesis, we present a microfluidic impedance-based flow cytometer operating at radio frequencies. The sensor is fabricated on the basis of a self-rolling mechanism of a strained metal/semiconductor hybrid structure composed of Au/Cr/GaAs/InGaAs into a microtube to obtain a tubular electrode geometry. We realize circular microchannels at the sensing region by a liquid proof integration of the microtube into a photoresist based microchannel system. A preparation technique for eliminating he photoresist edge-beads on small-sized substrates was devised. The microchannels are sealed by a combination of polydimethylsiloxane and acrylic glass. Due to the utilization of high-frequency electromagnetic test signals, an optimization of the electrical circuit is required to achieve measureable signals. This optimization is realized by a resonant tank circuit which increases the sensitivity by matching the impedance of our device to the source impedance of the radio-frequency signal-generator. Resonance frequencies of around 175MHz are obtained. The superiority of our rolled-up coplanar waveguide to conventional planar electrodes is shown by comparing them in fluid sensing experiments, where the frequency-dependent reflection of the devices filled with air and with phosphate-buffered saline solution is measured. An improvement of the sensitivity by a factor of about ~3 is observed. Additionally to a rolled-up coplanar waveguide, several other rolled-up electrode geometries are tested regarding their fluid sensing capabilities. We compare our tubular electrode structure to conventional coplanar waveguides with rectangular microchannels in time-resolved flow cytometric measurements and find an improved sensitivity by a factor of about ~1.4. Faster transition times of the cells through the circular channels of the rolled-up devices than through the rectangular channels are measured. This shows an excellent suitability of the microtube channels over rectangular channels to act as a constriction channel for eliminating leakage currents. Finite element simulations are performed to support and extend our experimental findings. Similarly to the experimental results, the simulations show an increased sensitivity of the rolled-up coplanar waveguide geometry over a planar electrode tructure. Moreover, the rolled-up structure shows less dependence of the response on the position in the microchannel of the particle to be detected.