Development of a portable droplet-based microfluidic communication system

Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Kontrolle und Manipulation kleiner Flüssigkeitsvolumina im Mikromaßstab. Viele Anwendungen in der Biotechnologie sind ideal, um in den Mikromaßstab übertragen zu werden, wo typischerweise Laboroperationen schneller und mit weniger Reagenzienmenge durchgeführt werden können, so genannte Lab-on-a-Chip (LoC). Eine vielversprechende Plattform für LoC sind tröpfchenbasierte LoC, die mit einer kleinen Menge an Flüssigkeiten, sogenannten Tröpfchen, arbeiten. Um die Flexibilität solcher Systeme zu erhöhen, können Tröpfchen auch für die Übertragung von Informationen durch mikrofluidische Kanäle eingesetzt werden, was als tropfenbasierte Kommunikation bezeichnet wird. In den letzten Jahren wurden verschiedene Informationskodierungsschemata eingeführt, wie z.B. die Tröpfchengrößen-Kodierung (Droplet Size Encoding (DSE)) und die Tröpfchenabstands-Kodierung (Droplet Distance Encoding (DDE)). Diese wurden theoretisch in Bezug auf Fehlerleistung und Durchsatz untersucht. Bislang mangelt es jedoch an der praktischen Umsetzung von tropfenbasierten Kommunikationssystemen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, diese Lücke zu füllen. Deshalb wurde ein tragbares, billiges und einfaches mikrofluidisches Kommunikationssystem entwickelt. Es wurde eine tragbare Black-Box entworfen und hergestellt, um konstante Umgebungsbedingungen zu gewährleisten, und es wurde eine fluoreszierende Tröpfchenflüssigkeit verwendet, die im Dunkeln sichtbar ist. Weiters wurde ein Mikrofluidik-Chip aus PMMA (Acrylglas) gefertigt. Auf der Senderseite des Systems wurde eine mobile Druckpumpe als Tröpfchengenerator und auf der Empfängerseite eine Smartphone-Kamera als Tröpfchendetektor eingesetzt. Neben der ersten praktischen Implementierung eines tropfenbasierten Kommunikationssystems (unter Verwendung von DSE und DDE) wurde eine umfassende experimentelle Charakterisierung des Systems durchgeführt und verschiedene praktische Fragen diskutiert, z.B. unterschiedliche Tropfengeschwindigkeiten für verschiedene Tropfengrößen.