تقنيات القياس الحرارية في تحليلي الأجهزة ميكروفلويديك

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.

يتم عرض ثلاث تقنيات القياس الحرارية الصغيرة الحجم مختلفة في هذه المقالة. وتستخدم تكوينات مختلفة ثلاثة من الأجهزة ميكروفلويديك للكشف الحراري الجسيمات (طن يوميا)، وتوصيف الحراري (التوصيل الحراري والحرارة النوعية)، والكشف عن المسعر من التفاعلات الكيميائية والتفاعلات.

الحراري كشف الجسيمات

ويستخدم على نطاق واسع كشف والعد الجسيمات في أجهزة ميكروفلويديك في التطبيقات البيئية والصناعية والبيولوجية ^1. TPD هي واحدة من تطبيقات جديدة من القياسات الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك ^2. عن طريق نقل الحرارة للكشف عن والعد الجسيمات على أساس حجم الجسيمات يقلل من التعقيد والتكلفة وحجم النظام. في أساليب أخرى، والبصريات المعقدة أو مقاييس الكهربائية المعقدة والمتقدمة برامج معالجة إشارة تستخدم للكشف عن الجسيمات.

شارا الحراريcterization من المواد السائلة عن طريق مايكرو قياس السعرات الحرارية

توصيف الحرارية عينة السائل هو التطبيق الثاني من القياس الحراري في أجهزة ميكروفلويديك. سوف يؤدون الصغيرة الحجم الكالوري تقليل استهلاك عينة وزيادة الدقة من خلال تقديم أعلى التكرار بالمقارنة مع التقليدية وأساليب الكالوري السائبة. وتعرض إجراءات التوصيل الحراري وقياس الحرارة معين باستخدام الجهاز الصغير المسعر على رقاقة في أي مكان آخر ^3. ووصف تفاصيل تقنية الوقت اختراق الحرارة لقياس الموصلية الحرارية وتحليل الموجة الحرارية (TWA) لقياس الحرارة النوعية في أجهزة ميكروفلويديك في قسم البروتوكول.

المسعرية الحيوية الكيميائية كشف في ورقة القائم على جهاز ميكروفلويديك

تطبيق آخر لقياس الحراري هو الكشف عن والكيمياء الحيوية في microfluidics الورقية. عمل شعري فيبنية مسامية من الورق يحمل السائل والابتعاد عن مشاكل بدء فقاعة في القنوات الصغيرة. آليات الكشف الأكثر شيوعا في أجهزة الورقية ميكروفلويديك هي التقنيات البصرية أو كهروكيميائية. كشف بصري يعاني من التعقيد وضرورة متقدمة برامج معالجة الصور لتكمم إشارة الكشف عنها. تقتصر المكتشفة الكهروكيميائية أيضا لأنها لا يمكن تطبيقها على ردود الفعل التي تنتج مشتقات نشطة. أدخلت مؤخرا الورقية المسعرية استشعار الكيمياء الحيوية منصة ⁴ يستفيد من نظام ميكروفلويديك الورقية وآلية الكشف الحرارية خالية من التسمية. وتعرض إجراءات الكشف عن المسعر من الجلوكوز باستخدام أوكسيديز الجلوكوز (GOD) انزيم في منصة الورقية ميكروفلويديك في قسم البروتوكول.

الهدف من هذه الورقة هو للتدليل على قدرات تقنيات القياس الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك. ومحضرات الجهازن، يتم عرض عينة السائل كشف المناولة ومقاومة درجات الحرارة (RTD) الإثارة أجهزة الاستشعار والقياس في المقاطع التالية.

1. الحراري كشف الجسيمات (طن يوميا)

1. تحضير الجهاز السيليكون ملفقة الصغير مع الأغشية الرقيقة نيتريد السيليكون الغشاء واستشعار درجة الحرارة متكامل من قبل متناهي الصغر، وذلك باستخدام أشباه الموصلات القياسية تكنولوجيا معالجة ^2. شطف الجهاز ملفقة مع منزوع الأيونات (DI) المياه.
   ملاحظة: يتم شرح طريقة التصنيع للكشف عن الجسيمات الحرارية جهاز ميكروفلويديك في نشرها قبل ^2.
2. لإنتاج polydimethylsiloxane (PDMS) ركائز مع القنوات الصغيرة، إنشاء قالب SU8 باستخدام الطباعة الحجرية القياسية بمعالجة ^5.
   ملاحظة: تم تصميم حجم القناة عن البعد كل جسيم معين ل.
   1. جعل PDMS عن طريق خلط 10: 1 نسبة من قاعدة (30 مل) وكيل علاج (3 مل). صب PDMS إلى العفن وإزالة الفقاعات من خلال تعريض لفترة وجيزة على فراغ (5-10 دقيقة).
      ملاحظة: مستوى الفراغ ليس القيمة الحرجة لdegasification ويجب أن تستمر حتى bubb الغازتتم إزالة ليه تماما من PDMS مختلطة.
   2. وضع القالب على موقد (~ 70 درجة مئوية) لمدة 2 ساعة لعلاج PDMS. ثم انزع PDMS بعناية فائقة حتى لا تتلف القالب.
      ملاحظة: مستوى فراغ ليست قيمة حرجة.
3. باستخدام لكمة اليدوي، لكمة ثقب ضيق (1 مم) لأنبوب PTFE في نهاية واحدة. استخدام لكمة كبيرة (2 ملم) في الطرف الآخر لجعل PDMS الخزان. وضع كمات القنوات الصغيرة على رأس الجهاز تحت المجهر ومحاذاة RTD في مركز للقناة الصغيرة (الشكل 1A).
4. في واجهة الكهربائية، وربط المسامير الكهربائية في مواقف وحة الاتصال وتشديد الخناق القفل. تأكد من دبابيس ارتفاع قابل للتعديل (دبابيس بوجو) الجلوس في منصات قطب كهربائي الصحيحة على الجهاز.
5. تمييع 10 ميكرولتر من الخرز PS المركزة في 100 ميكرولتر من المياه DI في أنبوب 1.5 مل.
6. لضمان PS لا تزال حبات مزدهرة بشكل محايد، إضافة 2.7 ميكرولتر من الجلسرين (1.26جم / سم ³⁾ على مياه DI لتتناسب مع كثافة السوائل إلى البوليسترين (PS) كثافة حبة (1.05 جم / سم ^3).
7. توصيل أنبوب PTFE إلى القناة في نهاية واحدة والطرف الآخر إلى كوب 1 مل حقنة. ملء حقنة زجاجية مع 0.5 مل من الماء DI.
   ملاحظة: ضيقة مصنوعة عن طريق تحديد الحجم الصحيح لكمة سوف تجنب تسرب في أنابيب.
8. وضع المياه DI شغل حقنة على ضخ حقنة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. دفع الماء (5-20 ميكرولتر / دقيقة) في القناة لملء القناة بأكملها مع السائل على طول الطريق إلى الخزان.
9. تحميل 10 ميكرولتر من محلول حبة متوازن إلى الخزان وإدخال حل حبة لقناة الصغرى عن طريق تغيير اتجاه تدفق على ضخ حقنة.
10. بدوره على RTD التي يتحامل 1 مللي أمبير من التيار المستمر من خلال الكمبيوتر التي تسيطر عليها المصدر / متر بينما قياس المقاومة المصدر / متر وفرز البيانات المقاسة (الشكل 2).
    ملاحظة: أثناء التجربة، واستشعار منحازة؛ وبالتالي، يتم قياس درجة الحرارة بشكل مستمر حتى نهاية التجربة العد. منحازة للاستشعار RTD كهربائيا من خلال تطبيق العاصمة الحالية في مجموعة من 100 أمبير إلى 1 مللي أمبير لقياس مستمر لدرجات الحرارة حتى نهاية التجربة العد. فمن الأهمية بمكان لتحديد المستوى الحالي الصحيح أنه ليس هناك مفاضلة بين مستوى الضوضاء والسعة إشارة الكشف عنها. يستخدم ضخ حقنة لتوليد التدفق في قناة الصغرى. اختيار معدل التدفق المناسب لإجراء التجربة TPD غير محدود لسرعة القياس. هذه السرعة هي وظيفة من ثابت الوقت الحراري للجهاز والكهربائية سرعة القياس. وأظهرت نتائج التجربة الحرارية كشف الجسيمات في الشكل (3).
11. استخدام ضعت برامج معالجة البيانات (ابفيف) لتحويل بيانات المقاومة قياس لدرجة الحرارة باستخدام المعادلة كالاندار-فان دوسين ^6.

2. الحراريةتوصيف المواد السائلة باستخدام مايكرو-المسعر

1. في هذه العملية، استخدم جهاز المسعر على رقاقة (الشكل 4A) ³ لقياس انتشارية الحراري والحرارة النوعية من العينات.
   ملاحظة: على كل يموت، وهناك 2 غرف الصغرى المسعر (الشكل 4B). كل غرفة لديها 2 مداخل ومخرج واحد. وكل غرفة لديها سخان وجهاز استشعار RTD متكاملة.
2. وضع الجهاز الصغير المسعر على حامل الجهاز (الشكل 4C). محاذاة الجهاز إلى مداخل ومنافذ ميكروفلويديك مع التجهيزات حامل. وضع طبقة ختم PDMS على رأس الجهاز.
3. تثبيت المسامير الربط الكهربائي على حامل الجهاز وقفل مسامير حامل.
   ملاحظة: تأكد من محاذاة دبابيس بوجو-ارتفاع قابل للتعديل مع منصات الاتصال الكهربائية.
4. تثبيت طبقة واجهة ميكروفلويديك مع المزالج المغناطيسي لصاحب الجهاز (الشكل 4D). ربط PTFE أنابيب إلى كل مداخل ومخرج. ربط مدخل واحد إلى تحميل عينة ضخ حقنة وإغلاق الآخر، كما لا يقاس المحتوى الحراري في هذه الحالة.
5. استخدام برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها وضعت لتحميل عينة في القناة الصغرى وغرف.
   ملاحظة: سوف يستخدم البرنامج تدفق قفها لاطلاق سراح الضغط المفرط على غرفة مع وقف التنفيذ الأغشية الرقيقة.
   1. تحميل العينة 300 ميكرولتر في حقنة زجاجية ووضعه على ضخ حقنة. استخدام بطيئة جدا (0.25 ميكرولتر / دقيقة) معدلات التدفق المستمر للعينات عالية اللزوجة (على سبيل المثال، الجلسرين والسوائل الأيونية). استخدام عينة الجلسرين لقياس الانتشارية الحرارية والسوائل الأيونية لقياس الحرارة النوعية.
6. القياسات
   1. قياسات انتشارية الحرارية
      1. ربط الإعداد القياسات كما هو مبين في الشكل 5A. تحميل عينة الجلسرين إلى غرفة صغيرة المسعر. قم بتشغيل برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها تعديل لهيئة التعليم العالي ر اختراق قياس الوقت.
      2. استخدام المعادلة اختراق الحرارة معايرة لحساب انتشارية الحرارية من الحرارة المقاسة الوقت اختراق ^7:
         
         حيث α هو انتشارية الحراري، L هو سمك الغرفة، ص هو العامل سمك المعايرة نظرا لاختلاف عملية التصنيع، ور ₀ آن الأوان اختراق الحرارة.
   2. قياسات الحرارة النوعية
      1. استخدام الإعداد قياس TWA كما هو مبين في الشكل 5B. استخدام نفس البرنامج عينة التحميل وتحميل السائل الأيونية في الغرفة. تشغيل البرنامج TWA للحصول على السعة من التقلبات في درجات الحرارة AC (∂ T _AC) واستخدام معادلة الحرارة النوعية لحساب محددة، ج _ص، الحرارة لكل عينة السائل الأيونية ^8:
         28eq2.jpg "العرض =" 117 "/>
         حيث C ₀ يتم إدخال عامل المعايرة السلطة، P _في غير مدخلات الطاقة، ω هو التردد للإشارة يشتغل، و m هو كتلة من عينة السائل.

3. المسعرية كشف الكيمياء الحيوية في الورقية جهاز ميكروفلويديك

1. استخدام microfabricated رقيقة (40-50 نانومتر النيكل) استشعار RTD. وأوضح الخطوات تلفيق للاستشعار RTD في الأعمال السابقة ^4.
2. لالورقية قناة تلفيق ^4، استخدام راسمة سكين لقطع ورقة قنوات ميكروفلويديك مع نمط تصميم (L-الشكل). وضع ورقة على رأس حصيرة القطع، تحميل ورقة وحصيرة قطع الراسمة لسكين، واستخدام وصفة مناسبة لقطع قنوات رقة الموائع الدقيقة ^4.
3. للجهاز وقناة التكامل، استخدم طبقة لاصقة الاكريليك (5 ميكرون) لدمج ورقة على استشعار RTD. استخدام ب نظيفةجمعية لدفع الصحيفة إلى الجهاز وإزالة فقاعات الهواء (الشكل 6A). الفيلم الاكريليك هو طبقة لاصقة لعقد ورقة على استشعار RTD.
4. لتنشيط انزيم، استخدم 50 ملي العازلة خلات الصوديوم لتنشيط انزيم الله. إضافة 1 ملغ من انزيم GOD إلى 1 مل من الصوديوم العازلة خلات لجعل 1 ملغ / مل حل. ضبط درجة الحموضة من الحل إلى 5.1.
   ملاحظة: ضبط كمية من حمض الخليك في المنطقة العازلة خلات الصوديوم للحفاظ على PH من حل 5.1.
5. انحياز RTD مع 1 أمبير من العاصمة الحالية لتفعيل الحق في التنمية والبدء في قياس مصدر المقاومة / متر متواصلة بينما المقاومة يستقر بعد التجربة (~ 4 دقائق).
   ملاحظة: يبين الشكل 6B الإعداد قياس لاختبار مقياس الكالوري الورقية.
6. يعرض ميكرولتر 2 من الحل أعده الله للمركز من ورقة الصغرى قناة (موقع الشلل) عن طريق ماصة. درجة الحرارة الكشف عن (الشكل 7A) يجب أن يبدأ رس الانخفاض.
   ملاحظة: هذا تأثير التبريد ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة تشغيل RTD والتبخر من العينة معا.
7. لقياس تركيز السكر، وإدخال السيطرة على مستويات الجلوكوز القياسية حل ⁹ إلى مدخل القناة وقياس التغير المقاومة الناجمة عن رد الفعل. تكرار هذه التجربة مع جميع الحلول السيطرة على مستويات الجلوكوز مختلفة (عالية، عادية وتركيزات منخفضة) وحفظ البيانات المقاومة.
8. باستخدام معامل درجة الحرارة المقاومة (TCR) لRTD النيكل وكالاندار-فان دوسين المعادلة، وتحويل التغيير المقاومة لدرجة الحرارة. حساب تركيز الغلوكوز في كل عينة من خلال النظر في المحتوى الحراري رد فعل الجلوكوز والانزيم الله (Δ H = -80 كج / مول) وباستخدام معادلة تركيز ^10:
   
   حيث تم الكشف عن ن _ص التركيز المولي، C _{p غير السعة الحرارية للنظام ويتم احتساب ΔT درجة الحرارة.}

ويبين الشكل 3 مؤامرة من إشارة الحرارية قياس. الإشارات ولدت في وجود حبات مع الصور الضوئية المقابلة تظهر الكشف الناجح من الخرز microsphere PS في القناة الصغيرة. الموصلية الحرارية من السائل يمر من خلال القناة الدقيقة يتغير بسبب وجود من الخرز PS. هذا التغيير في التوصيل الحراري للقناة يؤثر على نقل الحرارة في القناة الصغيرة. تم الكشف عن التغير في نقل الحرارة في القناة الصغيرة التي RTD في شكل مقاومة التقلبات (3A الشكل وB).

كما يمكن أن تتأثر إشارة الكشف عن تغيير في مجال تدفق المحلي (الشكل 3C وD)، والتي سوف تؤثر على انتقال الحرارة في القناة. فإن التغيير في التوصيل الحراري يزيد من درجة الحرارة. وعلاوة على ذلك، فإن التغييرات سرعة المحلية في القناة الصغرى تستندعلى الأبعاد المماثلة من حبة PS إلى حجم القناة، مما يسبب زيادة في نقل الحرارة المحلية. في هذه الحالة، وأثر التغير في نقل الحرارة هو السائد كما يظهر انخفاضا في المقاومة الكشف عنها. ولذلك، فإن المراسلات من حجم القناة مع حجم الجسيمات هي أساسية في التجربة طن يوميا. النتائج الحالية تظهر قدرة تقنية طن يوميا لحساب وكشف عن حجم الجسيمات.

القيمة المقاسة من انتشارية الحرارية من الجلسرين هو 9.94 × 10 ^-8 م ² / ثانية، والذي هو في حدود 8٪ من القيمة النظرية. ويبين الجدول 1 القيم المقاسة من مختلف عينات السائل الأيونية من خلال طريقة عرض. للتحقق من دقة في القياس، وقياس الحرارة النوعية للماء باستخدام نفس الأسلوب مع الخطأ أقل من 5٪.

إشارة درجة الحرارة الكشف عن نتيجة لتفاعل طارد للحرارة من الجلوكوز، ويظهر الله في الشكل 7A. تي انه رد فعل على منطقة المصممة قناة الصغرى هي 45٪ من المساحة الكلية. لحساب تركيز، وسوف ينظر فقط هذا الجزء من الجلوكوز. ويعتبر أيضا معدل محدود من تفاعل الأكسدة الجلوكوز كعامل حركية التفاعل. مقارنة تركيز الكشف مع المتاحة التجارية النتائج متر الجلوكوز (الشكل 7B) معارض دقة أعلى (<30٪) في الجهاز ملفقة.

الشكل 1. الجهاز ميكروفلويديك للكشف عن الجسيمات الحرارية. (A) الجهاز التخطيطي. (B) عرض مستعرضة للكشف الجسيمات باستخدام طريقة القياس الحراري. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

"دائما">
الرقم 2. الإعداد التجريبية للكشف عن الجسيمات الحرارية (طن يوميا). ويستخدم الكمبيوتر التي تسيطر عليها المصدر / متر إلى انحياز RTD وقياس المقاومة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3. نتائج الكشف عن الجسيمات الحرارية. (A) تغير المقاومة الكشف عنها عند 90 ميكرون PS حبة تمر استشعار RTD مع معدل تدفق 5 ميكرولتر / دقيقة. والتغيير هو موضح في التوصيل الحراري يزيد من درجة الحرارة وتظهر في شكل تغيير المقاومة في قياس المقاومة RTD. (B) الصورة البصرية للنفس حبة في الشكل 3A تمرير جهاز استشعار. (C) تغير المقاومة عند الكشف عن 200 ميكرون PS حبة تمر استشعار RTD مع معدل تدفق 5 ميكرولتر / دقيقة. (D) صورة ضوئية من نفس حبة في الشكل 3C عابرة أجهزة الاستشعار. تم تعديل هذا الرقم بإذن من ^[2]. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4. ملفقة على الرقاقة الصغيرة المسعر وحامل الجهاز. (A) A صورة مجهريا 3-الأبعاد الجهاز مع وقف التنفيذ الجزئي المسعر على رقاقة. رقاقة من مجلسين متطابقة، كل واحدة منها لديها اثنين من مداخل ومخرج واحد. (B) وschematجيم من مجهريا الغرفة الصغيرة المسعر. يظهر RTD مجهريا في السطح العلوي للجهاز ملفقة. يتم وضع الجهاز (C) و-المسعر الصغير على حامل الجهاز. (D) والإعداد النهائي للالمسعر الصغرى مع التوصيلات الكهربائية والموائع الدقيقة. يتم استخدام نتيجة TWA لحساب السعة الحرارية. تم تعديل هذا الرقم بإذن من ^[3]. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5. التوصيلات الكهربائية من الإعداد القياس الحراري مع الجهاز الصغير المسعر. (A) الإعداد القياس لتحليل الحرارة الوقت الاختراق. ويقاس الوقت اختراق الحرارة استخدام د لحساب التوصيل الحراري. (ب) إعداد القياس لتحليل الموجة الحرارية. يتم استخدام نتيجة TWA لحساب السعة الحرارية. تم تعديل هذا الرقم بإذن من ^[3]. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6. (A) التخطيطي للجهاز الورقية. (B) الإعداد قياس الورقية كشف مقياس الكالوري من الجلوكوز. في هذا الإعداد، يتم استخدام تسيطر عليها ابفيف المصدر / متر (شنيعة 2600) إلى انحياز RTD وقياس درجة الحرارة في وقت واحد. سيتم تخزين درجة الحرارة المقاسة والجذع الوقت في حين يجري قياسها. في هذه التجربة تم استخدام شنيعة 2600 لقياس أسرع.https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7. نتائج الكشف عن الجلوكوز مع الورقية استشعار المسعر. (A) إشارة خرج من الجلوكوز ورد فعل إنزيم الله. (B) نتائج الكشف النهائي لعينات السيطرة على الجلوكوز مع جهاز الورقية مقارنة مع نتائج متر الجلوكوز التجارية. تم استخدامها هذا الرقم بإذن من ^[4]. يتم احتساب "البيانات نظرا" تركيز الجلوكوز في التجارب الكشف.

الجدول 1. الحرارة النوعية قياس السوائل الأيونية باستخدام تقنية TWA مع على الرقاقة الصغيرة المسعر. وقد تم تعديل هذا الجدول بإذن من البيانات المنشورة ^[3].

Different thermal measurement techniques in microfluidic devices and their respective setup procedures are presented in this work. These thermal measurement methods such as thermal conductivity monitoring, thermal penetration time, amplitude of AC thermal fluctuations, and amplitude measurement of the generated heat are used to detect specific substances and investigate different reactions and interactions.

The thermal time constant plays a key role in the aforementioned thermal measurement techniques. In microfluidic device design, the optimization of thermal time constants must be considered. The thermal time constant is a function of the thermal mass and the thermal conductivity of the fabricated device, which are dependent on the material of each component. Using thin-film materials and micro-fabrication techniques allows reduction of the thermal mass of the system. The thermal conductivity is improved by using suspended structures and high thermal conductivity materials to reduce the thermal link to ambient conditions. Also it is important to control the ambient temperature to avoid measurement disturbances by using a thermal isolation.

The thin film RTD offers high sensitivity and linear temperature measurement in the introduced devices over a wide range of temperatures. The thermal and the electronic measurement noises are the constraints for the resolution with the introduced techniques.

Microfluidic devices with thermal measurement methods are capable of performing different physical and chemical measurements within the RTD linear measurement range. These techniques could also be useful for different chemical and bio-sample reaction and interaction detection for point-of-care applications and sample characterization. The introduced techniques are able to perform measurements from the tissue level to the single cell level.

أعلنت أي تضارب في المصالح.

وقدم الدعم المالي الجزئي لهذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية من خلال مركز البحوث التعاونية الصناعة / جامعة على معدات المياه والسياسات التي تقع في جامعة ويسكونسن ميلووكي (IIP-0968887) وجامعة ماركيت (IIP-0968844). نشكر غلين م. ووكر، وو جين تشانغ وشانكار راداكريشنان لإجراء مناقشات مفيدة.