Modeling heat losses in microfluidic devices: The case of static chamber devices for DNA amplification

Microfluidic devices offer important benefits for forensic applications, in particular for fast tests at a crime scene. A large portion of forensic applications require microfluidic chip material to show compatibility with biochemical reactions (such as amplification reactions), and to have high transparency in the visible region and high chemical resistance. Also, preferably, manufacturing should be simple. The characteristic properties of cyclic olefin copolymer (COC) fulfills these requirements and offers new opportunities for the development of new forensic tests. In this work, the versatility of COC as material for lab-on-a-chip (LOC) systems in forensic applications has been explored by realizing two proof-of-principle devices. Chemical resistance and optical transparency were investigated for the development of an on-chip presumptive color test to indicate the presence of an illicit substance through applying absorption spectroscopy. Furthermore, the compatibility of COC with a DNA amplification reaction was verified by performing an on-chip multiple displacement amplification (MDA) reaction.

Download Full-text

SIZE-CONTROLLED DROPLET GENERATION IN A MICROFLUIDIC DEVICE FOR RARE DNA AMPLIFICATION BY OPTIMIZING ITS EFFECTIVE PARAMETERS

Journal of Mechanics in Medicine and Biology ◽

10.1142/s0219519418500021 ◽

2018 ◽

Vol 18 (01) ◽

pp. 1850002 ◽

Cited By ~ 12

Author(s):

ALI LASHKARIPOUR ◽

ALI ABOUEI MEHRIZI ◽

MASOUD GOHARIMANESH ◽

MOHAMMADREZA RASOULI ◽

SAJAD RAZAVI BAZAZ

Keyword(s):

Single Molecule ◽

Dominant Role ◽

Dna Amplification ◽

Microfluidic Devices ◽

Sample Volume ◽

Droplet Generation ◽

Droplet Radius ◽

Generation Process ◽

Effective Parameters ◽

Precise Control

Versatility and portability of microfluidic devices play a dominant role in their widespread use by researchers. Droplet-based microfluidic devices have been extensively used due to their precise control over sample volume, and ease of manipulating and addressing each droplet on demand. Droplet-based polymerase chain reaction (PCR) devices are particularly desirable in single DNA amplification. If the droplets are small enough to contain only one DNA molecule, single molecule amplification becomes possible, which can be advantageous in several cases such as early cancer detection. In this work, flow-focusing microfluidic droplet generation’s parameters are numerically investigated and optimized for generating the smallest droplet possible, while considering fabrication limits. Taguchi design of experiment method is used to study the effects of key parameters in droplet generation. By exploiting this approach, a droplet with a radius of 111[Formula: see text]nm is generated using a 3[Formula: see text][Formula: see text]m orifice. Since the governing physics of the droplet generation process is not totally understood yet, by means of analysis of variance (ANOVA) analysis, a generalized linear model (GLM) is proposed to predict the droplet radius, given the values of eight major parameters affecting the droplet size. The proposed model shows a correlation of 95.3% and 64.95% for droplets of radius greater than and lower than 5[Formula: see text][Formula: see text]m, respectively. Finally, the source of this variation of behavior in different size scales is identified.

Download Full-text

Microfluidic devices for DNA amplification

Bioelectronics and Medical Devices ◽

10.1016/b978-0-08-102420-1.00035-2 ◽

2019 ◽

pp. 721-763

Author(s):

Ali Shahid ◽

Shayan Liaghat ◽

P. Ravi Selvaganapathy

Keyword(s):

Dna Amplification ◽

Microfluidic Devices

Download Full-text

PCR microfluidic devices for DNA amplification

Biotechnology Advances ◽

10.1016/j.biotechadv.2005.10.002 ◽

2006 ◽

Vol 24 (3) ◽

pp. 243-284 ◽

Cited By ~ 405

Author(s):

Chunsun Zhang ◽

Jinliang Xu ◽

Wenli Ma ◽

Wenling Zheng

Keyword(s):

Dna Amplification ◽

Microfluidic Devices

Download Full-text

A Microfluidic Approach for Biosensing DNA within Forensics

Applied Sciences ◽

10.3390/app10207067 ◽

2020 ◽

Vol 10 (20) ◽

pp. 7067

Author(s):

Brigitte Bruijns ◽

Roald Tiggelaar ◽

Han Gardeniers

Keyword(s):

Dna Analysis ◽

Multiple Displacement Amplification ◽

Dna Amplification ◽

Microfluidic Devices ◽

Direct Analysis ◽

Fast Analysis ◽

Forensic Dna Analysis ◽

Str Analysis ◽

Promising Alternative ◽

Experimental Findings

Reducing the risk of (cross-)contamination, improving the chain of custody, providing fast analysis times and options of direct analysis at crime scenes: these requirements within forensic DNA analysis can be met upon using microfluidic devices. To become generally applied in forensics, the most important requirements for microfluidic devices are: analysis time, method of DNA detection and biocompatibility of used materials. In this work an overview is provided about biosensing of DNA, by DNA profiling via standard short tandem repeat (STR) analysis or by next generation sequencing. The material of which a forensic microfluidic device is made is crucial: it should for example not inhibit DNA amplification and its thermal conductivity and optical transparency should be suitable for achieving fast analysis. The characteristics of three materials frequently used materials, i.e., glass, silicon and PDMS, are given, in addition to a promising alternative, viz. cyclic olefin copolymer (COC). New experimental findings are presented about the biocompatibility of COC and the use of COC chips for multiple displacement amplification and real-time monitoring of DNA amplification.

Download Full-text

Integrated microfluidic devices for rapid DNA amplification applicable to diagnostics andpathogendetection in food

10.12681/eadd/44397 ◽

2018 ◽

Author(s):

Γεωργία Κάπρου

Keyword(s):

Polymerase Chain Reaction ◽

Quartz Crystal ◽

Printed Circuit Board ◽

Lab On A Chip ◽

Dna Amplification ◽

Microfluidic Devices ◽

Circuit Board ◽

Chain Reaction ◽

Printed Circuit ◽

Polymerase Chain

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μικροαντιδραστήρων για την ενίσχυση δεσοξυριβονουκλεϊνικών οξέων (DNA) με βάση το υπόστρωμα τυπωμένου κυκλώματος (Printed Circuit board,PCB) με χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επιτρέποντας τη χρήση τους ακόμη και σε περιοχές με χαμηλούς πόρους, κατάλληλες για ολοκλήρωση σε πλατφόρμες μικροεργαστηρίων σε ψηφίδα (Lab-on-a-Chip, LoC) με εφαρμογή στην ασφάλεια τροφίμων, στα ιατρικά διαγνωστικά και στην περιβαλλοντική παρακολούθηση για την ανίχνευση παθογόνων.Επιτεύχθηκε ταυτόχρονα μεγάλος βαθμός ολοκλήρωσης και χαμηλό κόστος κατασκευής των μικροδιατάξεων αυτών με την επιλογή του PCB ως το κυρίως υπόστρωμα και την ανάπτυξη διαδικασιών κατασκευής συμβατών με την τεχνολογία PCB. Εκτός από την ολοκλήρωση των μικρορευστωνικών δικτύων με ηλεκτρονικά στοιχεία όπως οι αισθητήρες, το PCB επιτρέπει επίσης την ολοκλήρωση μικρoθερμαντικών στοιχείων χαλκού που παρέχουν τις θερμικές ζώνες που είναι απαραίτητες για την ενίσχυση του DNA. Ως εκ τούτου, η χαμηλού κόστους μαζική παραγωγή μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA είναι εφικτή με την χρήση των προτεινόμενων εμπορικά διαθέσιμων υλικών και μεθόδων συμβατών με την τεχνολογία PCB για την κατασκευή των μικροδιατάξεων αυτών στην καλά εδραιωμένη βιομηχανία PCB, αντιμετωπίζοντας έτσι ένα από τα εμπόδια σχετικά με τις μικρορευστωνικές διατάξεις που είναι η εμπορική αξιοποίησή τους.Στην παρούσα διατριβή, κατασκευάστηκαν μικροδιατάξεις ενίσχυσης DNA στατικού θαλάμου και συνεχούς ροής και ελέχθησαν χρησιμοποιώντας πολυάριθμες μεθόδους ενίσχυσης (ισοθερμικές και μη ισοθερμικές) όπως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (Polymerase Chain Reaction, PCR), Recombinase Polymerase Amplification (RPA), Helicase Dependent Amplification (HDA) και Loop-mediated Amplification (LAMP). Πρωτόκολλα ενίσχυσης DNA πολύ ταχύτερα σε σχέση με αυτά που διενεργούνται σε συμβατικούς θερμοκυκλοποιητές (μέχρι 20 φορές) διεξήχθησαν εντός των μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA, με συνολική διάρκεια από 2 λεπτά - μία από τις ταχύτερες που αναφέρθηκαν ποτέ - έως 30 λεπτά. Ο σχεδιασμός (βάση αριθμητικών υπολογισμών) των μικροαντιδραστήρων DNA εξασφαλίζει επίσης χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (324 J έως 4320 J) η οποία μπορεί να μεταφραστεί στην ανεξάρτητη διεξαγωγή από 65 μέχρι 1000 αντιδράσεων (αναλόγως της μεθόδου ενίσχυσης DNA) με χρήση συνήθους μπαταρίας ισχύος 10.000 mAh (9V).Τέτοιοι μικροαντιδραστήρες ενίσχυσης DNA ολοκληρώθηκαν για πρώτη φορά με ακουστικούς βιοαισθητήρες (Surface Acoustic Wave, SAW). Στην εργασία, παρουσιάζεται μια πλατφόρμα μικροεργαστηρίου σε ψηφίδα LoC βασισμένη στην ακουστική ανίχνευση SAW, εντός της οποίας διεξάγεται η δέσμευση και λύση κυττάρων, και η ενίσχυση του βακτηριακού DNA σε ένα και μόνο θάλαμο για την ανίχνευση ζώντων κυττάρων Σαλμονέλας (που προέρχονται από τεχνητό εμβολιασμό στο γάλα) μέσα σε λιγότερο από 6 ώρες.Παράλληλα, επιτεύχθηκε περαιτέρω βελτίωση της πλατφόρμας LoC με διερεύνηση μεθόδων παθητικοποίησης των τοιχωμάτων μικροκαναλιών για την πρόληψη προσρόφησης βιομορίων στην επιφάνεια των μικροδιατάξεων για τη βελτίωση της ενίσχυσης DNA. Διάλυμα 1% αλβουμίνης Βόιου ορού (Bovine Serum Albumin, BSA) παρατηρήθηκε ότι παθητικοποιεί με βέλτιστο τρόπο τα τοιχώματα και συνεπώς αναστέλλει την προσρόφηση βιομορίων. Παρομοίως, διερευνήθηκε η επιφανειακή ενεργοποίηση των ακουστικών αισθητήρων (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D) για επιλεκτική δέσμευση DNA σε πολύπλοκα δείγματα, ανοίγοντας το δρόμο για να χρησιμοποιηθεί η αναπτυγμένη πλατφόρμα με πολύπλοκες μήτρες δειγμάτων. Η χρήση παρεμποδιστικού ρυθμιστικού διαλύματος πριν την εισαγωγή του δείγματος προς ανάλυση στον βιοαισθητήρα βελτιώνει τη διαχωριστική ικανότητα μεταξύ μολυσμένων και μη δειγμάτων όταν χρησιμοποιείται η ανίχνευση μέσω ειδικής πρόσδεσης Αβιδίνης-Βιοτίνης.

Download Full-text

Selection of the Area of Window Openings of Residential Buildings in Conditions of Monsoon Climate of the Far East of the Russian Federation and Northern Areas of China

Light & Engineering ◽

10.33383/2019-014 ◽

2019 ◽

pp. 27-33

Author(s):

Aleksei K. Solovyov ◽

Bi Guofu

Keyword(s):

Residential Buildings ◽

Russian Far East ◽

Far East ◽

Heat Losses ◽

Natural Light ◽

Monsoon Climate ◽

Northern Areas ◽

Artificial Illumination ◽

Heat Penetration ◽

Large Heat

The term “window” in architecture usually stands for an opening in a wall or roof for penetration of natural light, sunrays and fresh air in premises. Recently, the requirement of contact with environment is added to this condition. It is especially relevant for residential buildings where rooms are considered residential if they have windows. The energy consumption of a building depends on sizes, form and location of windows. In winter, windows cause huge heat losses, in summer, on the other hand, large heat enters a building via the windows and is required to be removed by means of air conditioning. Moreover, windows are used for penetration of natural light in premises, which assists in saving of large amounts of power for artificial illumination. This article discusses partial solving the problem of the energy efficiency of residential buildings by determining the most efficient area of windows in terms of energy spending for compensation of heat losses via windows in winter, elimination of heat penetration through them in summer and energy losses for artificial lighting throughout the year. The analysis of the results of calculation of power consumption for residential premises in conditions of monsoon climate of the Russian Far East and Northern areas of China (PRC) is provided.

Download Full-text

Daylight in Underground Spaces

Light & Engineering ◽

10.33383/2017-028 ◽

2018 ◽

pp. 156-161

Author(s):

Alexei K. Solovyov

Keyword(s):

Light Guide ◽

Heat Losses ◽

Internal Environment ◽

Method Of Calculation ◽

Natural Lighting ◽

Different Depths ◽

The Common ◽

Different Diameters

Underground spaces in town centres present a big attraction for investors. However, they put special requirements to the internal environment. Those requirements can be fulfilled by means of daylighting. Examples of lighting of underground spaces are discussed. It is shown that the common systems of natural lighting are not always possible to use and cause big heat losses. Hollow light guide pipes allow avoid the shortcomings of common daylight systems. Method of calculation of daylight factors from hollow light guide pipes is shown. The results of calculation of daylight factors under the light guide pipes of different diameters in the different depths are presented.

Download Full-text