3D-printed microfluidic oxygen sensor system

This master thesis was carried out in the Institute for Microsensor, Actuator and System (IMSAS), Bremen, Germany. The entire designing and manufacturing processes have been done in the laboratory of physical chemosensors and microfluidics in IMSAS. We present the 3D printed microfluidic channel oxygen sensor for monitoring and measuring the oxygen concentration in liquids and special cells. This mentioned thesis is a part of a project that its main aim is skin wound healing as the oxygen is playing a key role in changing the metabolism of cells. So by measuring the oxygen concentration in cells that are responsible for the regeneration of injured skin, we can speed up the procedure of skin healing as short as we can. However, in this master thesis, we have used normal water as a sample to measure oxygen concentration. It is the first time that all parts of this sensor have been manufactured through 3D printed technology. Before that majority of them had been fabricating by traditional techniques such as; deposition, lithography, etc. so not only we can save our time, but also we can promote the precision rate and efficiency. By the way, there are some disadvantages and challenges to this technique such as; limitation of material selecting and probably of samples leakage after fabrication that we have mentioned in details in further chapters. This sensor is an optic one that works based on photo-luminance phenomenon. For this, we place four sensing spots (fluorescent film) that are glued under the glass where is placed on top of two microfluidic channels. The sensing films are made with fluorescence material (the Platinum (II)-tetrakis-pentafluorphenyl-porphyrin (PtTFPP)). This sensor is an integrated system that has several parts. The optical part that it is included the LEDs and sensing film, the readout part where the Raspberry Pi camera evaluates the intensity of emitted light from sensing spots by taking pictures, the controlling part where the temperature sensor and the heater are patterned on top of the glass to control the heater and the sample temperature and flowing current in LEDs. The whole fabrication process of glass and metallization of temperature sensors and heater on top of the glass is done in a cleanroom. The whole work mechanism of this sensor is, the sensing spots will be excited by LEDs excitation that cause release photons. The photons while losing energy, they are emitting light. By increasing the oxygen concentration; the intensity emitted light from sensing spots will be decreased.

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso l’Institute for Microsensor, Actuator and System (IMSAS) di Bremen, Germania. L'intero processo di progettazione e produzione è stato fatto nel laboratorio di sensori chemo-fisici e microfluidici presso IMSAS. Presentiamo il sensore di ossigeno a canale microfluidico stampato in 3D per il monitoraggio e la misurazione della concentrazione di ossigeno nei liquidi e nelle celle speciali. La tesi di cui sopra fa parte di un progetto che ha come obiettivo principale la guarigione delle ferite cutanee, poiché l'ossigeno gioca un ruolo chiave nel modificare il metabolismo delle cellule. Così, misurando la concentrazione di ossigeno nelle cellule che sono responsabili della rigenerazione della pelle ferita, possiamo accelerare la procedura di guarigione della pelle il più breve possibile. Tuttavia, in questa tesi di laurea, abbiamo usato l'acqua normale come campione per misurare la concentrazione di ossigeno. È la prima volta che tutte le parti di questo sensore sono state prodotte con la tecnologia stampata in 3D. In precedenza, la maggior parte di esse era stata fabbricata con tecniche tradizionali come la deposizione, la litografia, ecc. così non solo possiamo risparmiare il nostro tempo, ma possiamo anche promuovere il tasso di precisione e l'efficienza. In particolare ci sono alcuni svantaggi e sfide a questa tecnica come; limitazione della selezione del materiale e probabilmente della perdita di campioni dopo la fabbricazione che abbiamo menzionato in dettaglio in ulteriori capitoli. Questo sensore è un sensore ottico che funziona sulla base del fenomeno della fotoluminescenza. Per questo, mettiamo quattro punti di rilevamento (pellicola fluorescente) che vengono incollati sotto il vetro dove viene posto sopra due canali microfluidici. Le pellicole di rilevamento sono realizzate con materiale fluorescente (il Platinum (II)-tetrakis-pentafluorphenyl-porfyrin (PtTFPP)). Questo sensore è un sistema integrato che ha diverse parti. La parte ottica che comprende i LED e la pellicola di rilevamento, la parte di lettura dove la telecamera Raspberry Pi valuta l'intensità della luce emessa dai punti di rilevamento scattando foto, la parte di controllo dove il sensore di temperatura e il riscaldatore sono modellati sulla parte superiore del vetro per controllare il riscaldatore e la temperatura del campione e la corrente fluente nei LED. L'intero processo di fabbricazione del vetro e la metallizzazione dei sensori di temperatura e del riscaldatore sopra il vetro è fatto in una camera pulita. Il principio di funzionamento è il seguente: i punti di rilevamento saranno eccitati dall'eccitazione dei LED che causano il rilascio di fotoni. I fotoni, mentre perdono energia, emettono luce. Aumentando la concentrazione di ossigeno, l'intensità della luce emessa dai punti di rilevamento sarà ridotta.