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Heinz Schmid
Author with expertise in Origins and Future of Microfluidics
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Autonomous Microfluidic Capillary System

David Juncker et al.Nov 14, 2002
The transport of minute amounts of liquids using microfluidic systems has opened avenues for higher throughput and parallelization of miniaturized bio/chemical processes combined with a great economy of reagents. In this report, we present a microfluidic capillary system (CS) that autonomously transports aliquots of different liquids in sequence: liquids pipetted into the service port of the CS flow unidirectionally through the various sections of the CS, which comprises a 15-pL reaction chamber, into the capillary pump. A CS can thus be operated by simply delivering the different samples to its service port. The liquid transport concept presented here is advantageous because the pumping and valving functions are integrated into the device by means of capillary phenomena, and it therefore does not require any external power supply or control device. Thus, arrays of CSs can easily be formed by cloning a functional CS. Alternatively, the flow of liquids in CSs can also be interactively tuned if desired by (i) forcing the evaporating of liquid out of the capillary pumps and (ii) by contacting a secondary, removable capillary pump to the embedded ones. We illustrate the possibilities of CSs by conducting a surface immunoassay for a cardiac marker, within 25 min, on an area of 100 x 100 microm2, using 16 sequential filling steps.
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Controlled Particle Placement through Convective and Capillary Assembly

Laurent Malaquin et al.Oct 2, 2007
A wide variety of methods are now available for the synthesis of colloidal particle having controlled shapes, structures, and dimensions. One of the main challenges in the development of devices that utilize micro- and nanoparticles is still particle placement and integration on surfaces. Required are engineering approaches to control the assembly of these building blocks at accurate positions and at high yield. Here, we investigate two complementary methods to create particle assemblies ranging from full layers to sparse arrays of single particles starting from colloidal suspensions of gold and polystyrene particles. Convective assembly was performed on hydrophilic substrates to create crystalline mono- or multilayers using the convective flow of nanoparticles induced by the evaporation of solvent at the three-phase contact line of a solution. On hydrophobic surfaces, capillary assembly was investigated to create sparse arrays and complex three-dimensional structures using capillary forces to trap and organize particles in the recessed regions of a template. In both methods, the hydrodynamic drag exerted on the particle in the suspension plays a key role in the assembly process. We demonstrate for the first time that the velocity and direction of particles in the suspension can be controlled to perform assembly or disassembly of particles. This is achieved by setting the temperature of the colloidal suspension above or below the dew point. The influence of other parameters, such as substrate velocity, wetting properties, and pattern geometry, is also investigated. For the particular case of capillary assembly, we propose a mechanism that takes into account the relative influences of these parameters on the motion of particles and that describes the influence of temperature on the assembly efficiency.
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Capillary pumps for autonomous capillary systems

Martin Zimmermann et al.Oct 17, 2006
Autonomous capillary systems (CSs), where liquids are displaced by means of capillarity, are efficient, fast and convenient platforms for many bioanalytical applications. The proper functioning of these microfluidic devices requires displacing accurate volumes of liquids with precise flow rates. In this work, we show how to design capillary pumps for controlling the flow properties of CSs. The capillary pumps comprise microstructures of various shapes with dimensions from 15–250 Âµm, which are positioned in the capillary pumps to encode a desired capillary pressure. The capillary pumps are designed to have a small flow resistance and are preceded by a constricted microchannel, which acts as a flow resistance. Therefore, both the capillary pump and the flow resistance define the flow rate in the CS, and flow rates from 0.2–3.7 nL s−1 were achieved. The placement and the shape of the microstructures in the capillary pumps are used to tailor the filling front of liquids in the capillary pumps to obtain a reliable filling behaviour and to minimize the risk of entrapping air. The filling front can, for example, be oriented vertically or tilted to the main axis of the capillary pump. We also show how capillary pumps having different hydrodynamic properties can be connected to program a sequence of slow and fast flow rates in a CS.