在分析微流体装置的热测量技术

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.

三个不同的微观尺度的热测量技术呈现在这篇文章。微流体装置的三个不同的配置被用于热粒子检测（TPD），热特性（热导率和比热），和量热检测化学反应和相互作用。

热粒子探测

检测和计数在微流体装置的粒子被广泛用于环境，工业和生物应用^1。 TPD是热测量的在微流体装置²的新的应用中的一个。使用传热，用于检测和计数基于所述粒径的粒子降低了复杂性，成本和系统的大小。在其他方法中，复杂的光学或复杂的电气测量和先进的信号处理的软件用于检测颗粒。

热甜心液体物质cterization利用微热量计

液体样品的热特性是热计量的微流体装置的第二个应用程序。执行微尺度量热将降低样品消耗和通过提供更高的重复性相比于常规，散装量热方法提高精度。的程序使用芯片上的微量热设备的热导率和比热测量在别处³呈现。对于热导率测量的热渗透时间技术和热波分析（TWA）为在微流体装置的比热测量的细节在协议部分中描述。

量热生物化工检测纸张为基础的微流控设备

热测量的另一种应用是生化检测在纸基微流体。在毛细作用的纸的多孔结构承载的液体，避免了在微通道气泡引发问题。在纸基微流体装置中最常见的检测机制是光学或电化学技术。光学检测患有高复杂性和先进的图像处理软件的必要性量化检测到的信号。电化学检测也受到限制，因为它们只能被应用到产生活性的副产物的反应。最近推出的量热纸基生化传感器平台⁴取纸基微流体系统和无标记的热检测机构的优点。量热检测用葡萄糖氧化酶（GOD）酶在纸基微流体平台葡萄糖的程序都在协议部分。

本文的目的是展示在微流体装置的热测量技术的功能。该器件preparatioN，液体样品处理和电阻温度检测器（RTD）传感器激励和测量列于下一个章节。

1.热粒子探测（TPD）

1. 用薄膜的氮化硅膜和集成温度传感器通过微加工制备微制造硅器件，使用标准的半导体加工技术^2。冲洗所制造的设备，用去离子（DI）水。
   注意:该制造方法的热粒子检测器的微流体装置在现有出版物²进行说明。
2. 以生产微通道聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底，创建使用标准光刻技术的模具SU8处理^5。
   注意:通道尺寸被设计为每个特定的颗粒的尺寸。
   1. 使PDMS通过混合10:1的比例碱（30毫升）和固化剂（3毫升）中。倒到模具中的PDMS和由短暂暴露到真空（5-10分钟）除去气泡。
      注:真空水平不是一个临界值，以脱气，并应继续进行，直到气体巴布文件被从混合PDMS完全去除。
   2. 放置在热板上（〜70℃）的模具2小时，以固化的PDMS。然后剥去PDMS非常小心，以免损坏模具。
      注:真空水平不是一个临界值。
3. 使用手动冲头，冲头紧孔（1毫米）的PTFE管的一端。使用大的冲头（2毫米）的另一端，使PDMS的贮存器。放置在设备顶部的冲孔微通道，在显微镜下，并对准热电阻在微通道（ 图1A）的中心。
4. 在电气接口，连接电销在接触垫仓和收紧锁紧螺钉。确保高度可调节销（Pogo的引脚）坐在该装置上的正确的电极垫。
5. 稀释10微升的浓的PS珠在100微升去离子水在1.5ml管中。
6. 为了保证PS珠保持中性浮力，加2.7微升甘油（1.26克/厘米^3），以DI水以匹配流体密度的聚苯乙烯（PS）珠密度（1.05克/厘米^3）。
7. PTFE管连接到所述通道的一端和另一端，以1毫升的玻璃注射器。填用0.5ml去离子水的玻璃注射器。
   注:通过选择合适的冲规模将避免漏管做紧身。
8. 将充满的注射器上的计算机控制的注射泵的DI水。推水（5-20​​微升/分钟）到通道以填充整个通道与流体一路到储存器。
9. 负载10微升均衡珠溶液的贮存器，并通过改变对注射泵的流动方向引入珠溶液的微通道。
10. 由偏置DC电流为1mA通过计算机控制的源/米而测量由源/米的电阻和排序所测量的数据（ 图2）打开的RTD。
    注:在实验过程中，传感器偏置;因此，该温度被连续地测量，直到计数实验结束。在RTD传感器通过施加直流电流范围为100微安到1毫安连续测量温度，直至计数实验结束电偏置。关键是要选择正确的电流电平，因为有噪声水平和检测到的信号幅度之间存在折衷。注射泵被用来产生在微通道的流动。选择一个适当的流动速率来执行TPD实验中限制到测量的速度。这个速度是设备和电气测量速度的热时间常数的函数。热粒子检测实验的结果示于图3。
11. 使用开发的数据处理软件（LabVIEW中），以使用的Callendar-凡杜森方程⁶所测量的电阻数据转换为温度。

2.热液体物质使用微热量计的表征

1. 在此过程中，使用芯片上量热装置（ 图^4A）3来测量热扩散系数和样品的比热。
   注:在每个死亡，还有2微热量计室（ 图4B）。每室有2个入口和一个出口。且每个腔室具​​有加热器和RTD传感器集成。
2. 将装置保持器（ 图4C）上的微量热设备。该装置对准到微流体的入口和出口与支架配件。放置在设备顶部的PDMS密封层。
3. 该装置保持器上安装的电连接销和锁定保持器螺钉。
   注:确保高度可调弹簧针与电接触垫对齐。
4. 安装有磁性闩锁到装置保持器（ 图4D）微流体界面层。连接PTFE铝管两者的入口和出口。一个入口连接到示例加载注射器泵并关闭另一个，作为焓没有在这种情况下进行测量。
5. 使用开发的计算机控制的程序中，以将样品加载到微通道和腔室。
   注意:程序将使用停产流以释放过大的压力的薄膜悬浮室。
   1. 的300微升样品加载到玻璃注射器，并将其放置在注射器泵。使用非常缓慢（0.25微升/分钟）恒定流速为高粘度样品（ 例如 ，甘油和离子液体）。使用热扩散系数的测量和离子液体比热测量甘油样品。
6. 测量
   1. 热扩散系数的测量
      1. 连接测量设置为如图5A所示。加载甘油样品到微热量计室。运行老天修改后的计算机控制程序牛逼穿透时间的测量。
      2. 使用校准的热穿透方程来计算测量热穿透时间⁷热扩散系数:
         
         其中，α是热扩散率，L是腔室的厚度，p是厚度校准因数由于制造工艺的变化，而​​t ₀是热渗透时间。
   2. 比热测量
      1. 使用TWA测量设置， 如图5B所示 。使用相同的样品装载程序并装入离子液体在腔室中。运行TWA程序来获得交流电的温度波动（∂Ť _交流 ）的振幅，并使用比热公式来计算特定， _中 c p，热每个离子液体样品^8:
         28eq2.jpg"WIDTH ="117"/>
         其中，C ₀是输入功率校准因数，P _在被输入功率，ω是致动信号的频率，而m是液体样品的质量。

3.量热生化检测纸基微流体装置

1. 使用微加工薄膜（40-50纳米镍）RTD传感器。制造步骤的RTD传感器在以前的作品中⁴解释。
2. 对于纸质通道制造^4，用小刀绘图仪切纸微流体通道与设计的图案（L形）。将打印纸在切割垫的顶部，装入纸张和切割垫刀绘图仪，并使用适当的配方来切断微流体纸张通道^4。
3. 对于设备和渠道整合，使用丙烯酸粘合剂层（5微米）到纸张上集成了RTD传感器。使用清洁提单拉德到纸张推送到设备和除去气泡（ 图6A）。丙烯酸类膜是粘接剂层，以保持纸在RTD传感器。
4. 酶的激活，使用50mM乙酸钠缓冲液以激活GOD酶。加入1毫克的GOD酶到1ml的醋酸钠缓冲液以使1mg / ml的溶液。调节溶液的pH至5.1。
   注意:调节在乙酸钠缓冲液的乙酸的量，以保持溶液5.1的PH值。
5. 偏置RTD直流毫安1电流激活RTD，然后开始连续测量电阻源/米，而阻实验（〜4分钟）后稳定下来。
   注: 图6B显示测量设置的基于纸张的测试量热。
6. 引入2微升制备GOD溶液到纸张微通道（固定点）经由吸移管的中心。检测到的温度（ 图7A）必须启动吨Ø减少。
   注意:此冷却效果是由于RTD的更高的工作温度的样本的和蒸发一起。
7. 为了测量葡萄糖浓度，引入标准葡萄糖对照溶液⁹至通道入口和测量所引起的反应电阻变化。重复这个实验的所有不同的血糖控制解决方案（高，普通，低浓度），并保存电阻数据。
8. 使用电阻（TCR）的镍RTD和的Callendar-凡杜森方程的温度系数，转换所述电阻变化对温度。通过考虑葡萄糖的反应焓和GOD酶（ΔH = -80千焦耳/摩尔），并使用浓度方程¹⁰计算每个样品中的葡萄糖的浓度:
   
   其中n _p被检测摩尔浓度，C _{p是该系统的热容量和ΔT计算温度。}

图3示出了测得的热信号的曲线图。在与相应的光学图像的小珠的存在下所产生的信号显示了成功的检测，在微通道的微球PS珠。液体穿过微通道的导热性发生变化，由于PS的珠的存在。这种变化在通道的热导率是影响在微通道的热传递。在微通道的热传递的变化是由热电阻的电阻波动（ 图3A和B）的形式进行检测。

检测到的信号也可以受到在局部流场（ 图3C和D）的变化，这将影响在通道中的热传递。在热导率的变化将增加的温度。此外，在微通道中的局部速度变化的基础上的PS珠的沟道尺寸的尺寸相当，从而导致增加的局部传热。在这种情况下，改变在传热的效果是占主导地位的，因为它出现在检测电阻的降低。因此，信道的大小的对应于粒度在TPD实验是必不可少的。本结果证明了TPD技术的能力计数并检测粒子的尺寸。

甘油的热扩散率的测定值是9.94×10 ^-8米² /秒，这是内为理论值的8％。 表1由引入的方法显示不同的离子液体样品的测量值。要验证的测量精度，水的比热是使用相同的技术与小于5％的误差进行测量。

检测到的温度信号由于葡萄糖和GOD示于图7A的放热反应。 Ť所设计的微通道他反应面积是总面积的45％。为了计算浓度，葡萄糖的只有这部分将被考虑。葡萄糖氧化反应的有限速率也被认为是一个反应动力学的因素。所检测到的浓度与市售的血糖仪的结果相比较（ 图7B）示出了在制造的装置更高的精度（<30％）。

图1.微流控设备的热粒子探测。 （一）设备原理图。（B）的粒子检测用热计量方法的横截面图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2.实验装置的热粒子检测（TPD）。计算机控制源/表用于偏置RTD和测量电阻。 请点击此处查看该图的放大版本。

图热粒子探测的3结果。（A）当90微米的PS珠被路过的RTD传感器与5μl/ min的流速检测的电阻变化。在热导率的解释变化将增加的温度和出现在电阻改变RTD电阻测量的形式。（B）的光学图像同一胎圈在图3A通过传感器（℃）时的200微米的PS珠被传递RTD传感器与5微升/分钟的流速被检测电阻变化。（D）中相同的胎圈的如图3C通过的光学图像传感器。这个数字已被修改与许可^[2]。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4.片上制造微热量计和设备支架。（A）的微机械加工的3维片上悬浮微热量计装置的照片。该芯片有两个相同的腔室，其中每一个具有两个入口和一个出口。（B）中的schemat集成电路的微加工微热量计室。在微机械加工的RTD示出在所制造的器件的顶表面上。（℃）微热量计装置被放置在设备支架上。（D）的微量热计用的电气和微流体连接的最终设置。 TWA的结果被用于热容量计算。这个数字已被修改与许可^[3]。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5.热测量装置与微热量计装置的电连接。（A）中的测量装置用于热渗透时间分析。测得的热穿透时间的使用 d代表热导率的计算。（二）测量设置为热波分析。 TWA的结果被用于热容量计算。这个数字已被修改与许可^[3]。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6（A）基于纸张的设备的示意图。（B）的测量设置的基于纸张的热量检测血糖。在这种设置中，由LabVIEW受控源/米（吉时利2600）用于偏压的RTD和同时测量温度。测得的温度和时间的干将储存，同时被测量。在该实验中吉时利2600用于更快的测量。https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。

图7.葡萄糖检测结果与基于纸件的热量传感器。（A）中的葡萄糖及GOD酶反应的（B）的血糖控制的样品与基于纸张的设备的最终的检测结果与商业葡萄糖计结果进行比较的输出信号。这一数字得到了重用与^[4]的权限。 "给定数据"被计算在检测实验中的葡萄糖的浓度。

表1.使用TWA技术具有片上微热量计的离子液体的测得的比热。该表已经被修改以允许从公布的数据^[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.

没有利益冲突的声明。

通过工业/大学合作研究中心的水处理设备和位于威斯康星州密尔沃基（IIP-0968887）和马凯特大学（IIP-0968844）的大学政策提供了由美国国家科学基金会为这项工作的部分资金支持。我们感谢格伦·沃克先生，宇晋Chang和香卡拉达克里希南有益的讨论。