Microfluidics capabilities in environmental engineering

used  in  groundwater  aquifer  and  marine  research.  The  term  ‘micromodels’  is  interchangeably  used for ‘microfluidic devices’ in the groundwater research literature. 

2.2.1. Microfluidic device fabrication techniques  2.2.1.1. Photolithography 

Photo‐litho‐graphy  is  derived  from  Latin,  meaning  light‐stone‐writing.  Photolithography  is  an  optical  pattern  transferring  technique  in  which  micro‐patterns  are  transferred  from  a  photomask  to  a  UV‐sensitive  polymer  layer  (photoresist)  coated  on  a  substrate.  It  is  a  high  resolution  transferring  technique  and  can  be  classified  as  E‐beam  lithography  or  X‐ray  lithography depending on the UV‐light used.  

2.2.1.2. Softlithography 

The Whitesides group at Harvard University developed a non‐photolithographic strategy based  on  self‐assembly  and  replica  molding  for  carrying  out  micro‐  and  nanofabrication  (Xia  and  Whitesides 1998). Softlithography technology is a term collectively used for the set of micro and  nano‐fabrication  techniques  including  replica  molding  (REM),  micro‐contact  printing  (µCP),  micro‐molding  in  capillaries  (MIMIC),  micro‐transfer  molding  (µTM),  solvent  assisted  micro‐

molding  (SAMIM),  phase‐shift  photolithography,  soft  embossing  (SE)  etc  (Xia  and  Whitesides  1998).  

2.2.2. Microfluidics capabilities in environmental engineering 

The  advent  of  microfluidics  is  inspired  by  molecular  analysis,  molecular  biology,  and  microelectronics (Whitesides 2006). Introduction of microfluidics in capillary format in analytical  environmental  chemistry  techniques,  such  as  gas‐phase  chromatography  (GPC),  high‐pressure  liquid  chromatography  (HPLC),  polymerized  chain  reaction  (PCR),  have  revolutionized  the  accuracy  and  precision  of  chemical  analysis.  The  use  of  PDMS,  which  has  several  favorable  properties,  in  microfluidics  makes  it  possible  to  use  them  in  a  number  of  applications  in 

environmental  engineering  related  to  biological  systems,  involving  cells  and  small  microorganisms.  PDMS  is  soft,  flexible,  biocompatible,  electrically  insulating,  hydrophilic  on  oxidation, unreactive, transparent to visible and UV lights, permeable to gases and only partially  permeable to water (Weibel and Whitesides 2006). The main disadvantage with PDMS is that it  absorbs most of the organic solvents resulting in swelling and loss of its transparency, thereby  changing its feature dimensions. Gas permeability may also impair its use with volatile organic  compounds. Some of the possible applications of microfluidics in environmental engineering are  described in the following sections. 

2.2.2.1. Miniaturized prototypes 

The science  and technology of microfluidics  provides easy and rapid prototyping in short time  intervals,  typically  a  day,  with  generation  of  multiple  copies  in  a  few  hours  with  impeccable  reproducibility. This ease of fabrication and adaptability enables researchers to easily simulate  complex environmental systems in the lab. Microfluidic systems allow for spatial and temporal  variation  in  reagents  and  nutrient  addition  to  carry  out  desired  reactions,  replace  media,  and  remove waste (Weibel and Whitesides 2006). As mentioned earlier, microfluidics uses very small  devices  that  can  handle  tiny  amounts  of  fluid  volume  and  can  therefore  be  used  for  manipulation of small amounts of samples allowing for isolation, visualization, and examination  of  very  few  or  even  single  microorganisms  (Lee  et  al.  2004;  Wu  et  al.  2004;  Balagaddé  et  al. 

2005;  Groisman  et  al.  2005;  Cai  et  al.  2006).  These  characteristics  are  useful  for  in‐situ  observation  of  the  microorganisims,  and  for  physically  isolating  cells  without  changing  their  environment.  In  addition,  the  use  of  quantitatively  small  volumes  of  media  and  reagents  in  microfluidics  is  helpful  in  generating  low  waste,  which  is  important  in  protecting  the  environment  especially  when  working  with  hazardous  materials  (Lee  et  al.  2005).  The  miniaturized microfluidic prototypes of groundwater aquifers, which have sizes generally on the 

order of few centimeters, have already begun to replace traditional column experiments and are  being used extensively at both Darcy and pore scales (Sirivithayapakorn and Keller 2003a; Auset  and Keller 2004; Keller and Sirivithayapakorn 2004; Auset et al. 2005; Werth et al. 2006; Lanning  et al. 2008; Willingham et al. 2008; Long and Ford 2009).  

2.2.2.2. Laminar flow conditions 

As  the  physical  dimensions  of  microfluidic  channels  decrease  their  surface‐to‐volume  ratio  increases, therefore microfluidic channels always have very high surface to volume ratios. As a  result,  flow  in  microfluidic  channels  is  predominantly  governed  by  viscous  forces,  resulting  in  low Reynolds number and laminar flow conditions. This characteristic of microfluidics is useful in  studying  natural  and  engineered  environmental  systems  that  automatically  pose  or  require  creation  of  such  conditions.  For  example,  microfluidic  systems  are  useful  in  studying  bacterial  and  contaminant  transport  in  groundwater  aquifers  where  laminar  flow  conditions  naturally  exist.  Microfluidics  is  also  beneficial  in  studies  aimed  at  understanding  cellular  activity  and  behavior at the single cell scale.  

2.2.2.3. Concentration gradients 

Due to the laminar flow conditions in microfluidic devices, two or more fluid streams may flow  side by side without any appreciable mixing of fluid particles, creating an experimental condition  whereby  diffusion  is  the  only  mixing  mechanism  between  the  fluids  (Weibel  and  Whitesides  2006). This property of microchannels enables the creation of steep concentration gradients of  small molecules between streams flowing parallel to each other, which may be extended over  several orders of magnitude (Weibel and Whitesides 2006). These chemical gradients are usually  perpendicular  to  the  flow  direction  and  have  temporal  and  spatial  stability.  This  is  the  single  characteristic  of  microfluidic  devices  that  has  been  exploited  the  most  by  researchers  in  environmental  engineering  and  other  areas  for  creating  chemical  gradients  in  an  array  of 

complex  designs.  In  environmental  engineering,  MFDs  have  been  used  for  studying  bacterial  chemotaxis  (Mao  et  al.  2003;  Lanning  et  al.  2008;  Long  and  Ford  2009),  reactive‐mixing  transport  (Willingham  et  al.  2008;  Zhang,  C.  et  al.  2010)  and  mineral  precipitation  in  aquifers  (Zhang, Changyong et al. 2010).  

2.2.2.4. Environmental‐Lab‐on‐a‐Chip 

Much  of  the  work  in  microfluidics  is  focused  on  design  and  fabrication  of  the  different  components  of  a  larger  system.  Current  efforts  are  focused  on  integrating  these  components  into  a  single  device  on  a  microchip  plateform  that  can  be  automated  for  sample  preparation,  storing,  and  injection,  chemical  analysis  (metering,  sorting  or  mixing,  detection),  data  acquisition, and waste rejection and disposal.  Such automated devices are known as Lab‐on‐a‐

Chip systems or µTAS (micro total analysis systems) and are finding applications in the areas of  biomedical sciences, clinical applications and homeland security and environmental monitoring  of pollutants (Madou 2002). The primary products of microfluidics systems are expected to be  used  as  sensors  for  detection  of  air  and  water  pollutants  via  instruments  known  as  microspectrometers, micro gas chromatography systems, micro ion mobility spectrometers, and  infrared detectors (Madou 2002).  The ability of this technology to produce repeated patterns of  structures  in  a  small  space  may  be  useful  in  prototyping  complex  environmental  systems  that  require studying multiple processes at the same time.