Técnicas de medición Térmicas en analíticas de microfluidos Dispositivos

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.

Tres técnicas de medición térmicos micro-escala diferente se presentan en este artículo. Las tres configuraciones diferentes de dispositivos de microfluidos se utilizan para la detección térmica de partículas (TPD), la caracterización térmica (conductividad térmica y calor específico), y la detección colorimétrica de las reacciones químicas y las interacciones.

Detección de partículas térmica

Detectar y contar las partículas en dispositivos de microfluidos se utiliza ampliamente para aplicaciones medioambientales, industriales y biológicos ^1. TPD es una de las aplicaciones novedosas de mediciones térmicas en dispositivos de microfluidos ^2. El uso de transferencia de calor para detectar y contar las partículas basadas en el tamaño de las partículas reduce la complejidad, costo y tamaño del sistema. En otros métodos, la óptica complejos o mediciones eléctricas complejas y software avanzado de procesamiento de señales se utilizan para la detección de partículas.

Chara térmicacterization de sustancias líquidas Utilizando Micro-Calorímetro

Liquid caracterización térmica de la muestra es la segunda aplicación de medición térmica en dispositivos de microfluidos. Realización de calorimetría microescala reducirá el consumo de muestra y aumentar la precisión, ofreciendo mayor repetibilidad en comparación con los métodos convencionales de calorimetría, a granel. Los procedimientos para la medición de la conductividad térmica y calor específico utilizando el dispositivo de micro-calorímetro en el chip se presentan en otras partes ^3. Los detalles de la técnica de tiempo de penetración de calor para la medición de la conductividad térmica y el análisis de la onda térmica (TWA) para las mediciones de calor específico en dispositivos de microfluidos se describen en la sección de protocolo.

Dispositivo de microfluidos Basado en Papel calorimétrico Bio-Química Detección en

Otra aplicación de medición térmica es la detección bioquímica en la microfluídica basados ​​en papel. La acción capilar en elestructura porosa de papel lleva el líquido y evita los problemas de iniciación de burbujas en microcanales. Los mecanismos de detección más comunes en los dispositivos de microfluidos en papel son técnicas ópticas o electroquímicas. Detección óptica sufre de alta complejidad y la necesidad de software avanzado procesamiento de imágenes para cuantizar la señal detectada. Detecciones electroquímicos también están limitados debido a que sólo se pueden aplicar a las reacciones que producen subproductos activos. La plataforma recientemente introducido calorimétrico basado en papel sensor bioquímico ⁴ toma ventaja del sistema de microfluidos basado en papel y el mecanismo de detección térmica de la etiqueta libre. Los procedimientos de detección calorimétrica de la glucosa utilizando glucosa oxidasa (GOD) enzima en una plataforma de microfluidos basado en papel se presentan en la sección de protocolo.

El objetivo de este trabajo es demostrar las capacidades de las técnicas de medición térmica en dispositivos de microfluidos. El preparatio dispositivon, muestra de líquido detector de manejo y resistencia a la temperatura (RTD) de excitación del sensor y la medición se presentan en las siguientes secciones.

1. Detección de partículas térmica (TPD)

1. Prepare el dispositivo de silicio micro-fabricada con una membrana de nitruro de silicio de película delgada y el sensor de temperatura integrado por micromecanizado, utilizando la tecnología de proceso de semiconductores estándar ^2. Enjuague el dispositivo fabricado con desionizada (DI).
   Nota: El método de fabricación para el detector de partículas térmica dispositivo de microfluidos se explica en la publicación antes ^2.
2. Para producir polidimetilsiloxano (PDMS) sustratos con micro-canales, crear un molde de SU8 utilizando litografía estándar procesa ^5.
   Nota: El tamaño del canal está diseñado para la dimensión de cada partícula específico.
   1. Hacer PDMS mezclando una proporción de 10: 1 de base (30 ml) y agente (3 ml) curar. Verter el PDMS en el molde y eliminar las burbujas exponiendo brevemente a un vacío (5-10 min).
      Nota: El nivel de vacío no es un valor fundamental para la desgasificación y debe continuar hasta bubb gasles son retirados totalmente de PDMS mixtos.
   2. Colocar el molde sobre una placa caliente (~ 70 ° C) durante 2 horas para curar los PDMS. Luego pelar los PDMS con mucho cuidado a fin de no dañar el molde.
      Nota: El nivel de vacío no es un valor crítico.
3. Con un punzón manual, perforar un agujero apretado (1 mm) para el tubo de PTFE en un extremo. Utilizar una gran punzón (2 mm) en el otro extremo para hacer los PDMS un depósito. Coloque el micro-canal perforado en la parte superior del dispositivo bajo el microscopio y alinear el RTD en el centro de la micro-canal (Figura 1A).
4. En la interfaz eléctrica, conecte las clavijas eléctricas en las posiciones de la almohadilla de contacto y apriete los tornillos de bloqueo. Asegúrese de que los pasadores de altura regulable (pines Pogo) se sientan en los electrodos correctos en el dispositivo.
5. Diluir 10 l de las perlas de PS concentradas en 100 l de agua DI en un tubo de 1,5 ml.
6. Para garantizar la PS cuentas permanecen flotabilidad neutra, añadir 2,7 l de glicerol (1,26g / cm ³⁾ a agua DI para que coincida con la densidad del fluido para el poliestireno (PS) densidad talón (1,05 g / cm ^3).
7. Conectar el tubo de PTFE al canal en un extremo y el otro extremo a una jeringa de vidrio de 1 ml. Llene la jeringa de vidrio con 0,5 ml de agua DI.
   Nota: Apretada hecho seleccionando el tamaño puño derecho evitará fugas en los tubos.
8. Coloque el agua DI llena la jeringa en la bomba de jeringa controlada por ordenador. Empuje el agua (5-20 l / min) en el canal para llenar todo el canal de líquido todo el camino hasta el depósito.
9. Cargar 10 l de solución de grano equilibrada al depósito e introducir la solución de talón a la micro-canal cambiando la dirección del flujo en la bomba de jeringa.
10. Encienda el RTD polarizando 1 mA de corriente continua a través de la fuente / metro controlado por ordenador, mientras que la medición de la resistencia de fuente / metro y clasificación de los datos medidos (Figura 2).
    Nota: Durante el experimento, el sensor es sesgada; Por lo tanto, la temperatura se mide continuamente hasta el final del experimento de recuento. El sensor RTD está sesgada eléctricamente mediante la aplicación de una corriente continua en el intervalo de 100 mu a 1 mA para medir continuamente la temperatura hasta el final del experimento de recuento. Es crítico para seleccionar el nivel de corriente adecuado ya que hay un equilibrio entre el nivel de ruido y de la amplitud de la señal detectada. La bomba de jeringa se utiliza para generar el flujo en micro-canal. Selección de un caudal adecuado para llevar a cabo el experimento TPD se limita a la velocidad de la medición. Esta velocidad es una función de la constante de tiempo térmica del dispositivo y la velocidad de medición eléctrica. Los resultados de la detección de partículas térmica experimento se muestran en la Figura 3.
11. Utilice el software de procesamiento de datos desarrollado (LabVIEW) para convertir los datos de resistencia medidos a temperatura usando la ecuación de Callendar-Van Dusen ^6.

2. térmicaCaracterización de sustancias líquidas Utilizando un micro-calorímetro

1. En este proceso, utilizar el dispositivo en el chip calorímetro (Figura 4A) ³ para medir la difusividad térmica y el calor específico de las muestras.
   Nota: En cada dado, hay 2 cámaras de micro-calorímetro (Figura 4B). Cada cámara tiene 2 entradas y una salida. Y cada cámara tiene un calentador y un sensor RTD integrado.
2. Coloque el dispositivo de micro-calorímetro en el soporte del dispositivo (Figura 4C). Alinear el dispositivo a las entradas y salidas de microfluidos con los accesorios de soporte. Coloque la capa de sellado PDMS en la parte superior del dispositivo.
3. Instale los pasadores de conexión eléctrica en el soporte de dispositivo y bloquear los tornillos titular.
   Nota: Asegúrese de que los pasadores de Pogo de altura ajustable están alineados con las almohadillas de contacto eléctrico.
4. Instale la capa de interfaz de microfluidos con cierres magnéticos a la titular del dispositivo (Figura 4D). Conecte el PTFE tubos para ambas entradas y la salida. Conectar una entrada a la bomba de jeringa de la muestra cargada y cerrar el otro, como la entalpía no se mide en este caso.
5. Utilice un programa controlado por ordenador desarrollado para cargar la muestra en el micro-canales y cámaras.
   Nota: El programa utilizará flujo discontinuada para liberar la presión excesiva en la cámara suspendida de película delgada.
   1. Cargue la muestra 300 l en la jeringa de vidrio y colocarlo en la bomba de jeringa. Utilice velocidades de flujo muy lento (0,25 l / min) constantes para muestras de alta viscosidad (por ejemplo, glicerol y líquidos iónicos). Utilice una muestra de glicerina para las mediciones de difusividad térmica y líquidos iónicos para mediciones de calor específico.
6. Mediciones
   1. Mediciones de difusividad térmicas
      1. Conectar la configuración de las mediciones como se muestra en la Figura 5A. Cargue la muestra de glicerina a la cámara de micro-calorímetro. Ejecute el programa controlado por ordenador modificado para hea t penetración de la medición del tiempo.
      2. Utilice la ecuación de penetración del calor calibrado para calcular la difusividad térmica del tiempo de penetración de calor medido ^7:
         
         donde α es la difusividad térmica, L es el espesor de la cámara, p es el factor de calibración de espesor debido a la variación del proceso de fabricación, y t ₀ es el tiempo de penetración de calor.
   2. Mediciones de calor específico
      1. Utilice la configuración de la medición TWA como se muestra en la Figura 5B. Utilice el mismo programa de ejemplo de carga y cargar el líquido iónico en la cámara. Ejecutar el programa de TWA para obtener la amplitud de las fluctuaciones de temperatura de corriente alterna _(AC ∂ T) y el uso de la ecuación del calor específico para calcular el específico, c _p, de calor para cada muestra de líquido iónico ^8:
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         donde C ₀ es el factor de calibración de la potencia de entrada, _en P es la potencia de entrada, ω es la frecuencia de la señal de accionamiento, y m es la masa de la muestra de líquido.

3. calorimétrico detección bioquímica en base de papel de dispositivos de microfluidos

1. Utilice microfabricado película delgada (40-50 nm níquel) sensor RTD. Pasos de fabricación para el sensor RTD se explican en trabajos anteriores ^4.
2. Para en papel canal fabricación ^4, use un plotter cuchillo para cortar el papel canales de microfluidos con un patrón diseñado (en forma de L). Coloque el papel en la parte superior de la base de corte, cargue el papel y la estera de corte para el plotter de cuchillo, y el uso de la receta adecuada para cortar los canales de microfluidos en papel ^4.
3. Para el dispositivo y el canal de integración, utilice una capa de adhesivo acrílico (5 micras) para integrar el papel sobre el sensor RTD. Use un b limpialade para empujar el papel para el dispositivo y eliminar las burbujas de aire (Figura 6A). La película acrílica es una capa adhesiva para sujetar el papel sobre el sensor RTD.
4. Para la activación de la enzima, utilice tampón de acetato de sodio 50 mM para activar la enzima GOD. Añadir 1 mg de la enzima GOD a 1 ml de tampón de acetato de sodio para hacer la solución 1 mg / ml. Ajustar el pH de la solución a 5,1.
   Nota: Ajuste la cantidad de ácido acético en el tampón de acetato de sodio para mantener el pH de la solución de 5,1.
5. Sesgo del RTD con 1 mA de corriente DC para activar el IDT y empezar a medir la fuente de resistencia / metro continuamente mientras que la resistencia se establece después del experimento (~ 4 min).
   Nota: La Figura 6B muestra la configuración de la medición para el ensayo colorimétrico basado en papel.
6. Introducir los 2 l de la solución DIOS preparado para el centro del papel de micro-canales (sitio inmovilización) a través de la pipeta. La temperatura detectada (Figura 7A) debe empezar to disminuir.
   Nota: Este efecto de enfriamiento es debido a la temperatura más alta de la operación de RTD y la evaporación de la muestra juntos.
7. Para medir la concentración de glucosa, introducir la solución de control estándar de glucosa ⁹ a la entrada del canal y medir el cambio de resistencia causado por la reacción. Repita este experimento con todas las soluciones de control de glucosa diferentes (alta, normal y baja concentración) y guardar los datos de resistencia.
8. Utilizando el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) para RTD de níquel y la ecuación Callendar-Van Dusen, convertir el cambio de resistencia a la temperatura. Calcular la concentración de la glucosa en cada muestra considerando la entalpía de reacción de la glucosa y la enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mol) y usando la ecuación de concentración ^10:
   
   donde se detecta n _p concentración molar, C _{P es la capacidad de calor del sistema y Delta T se calcula la temperatura.}

La Figura 3 muestra la trama de la señal térmica medido. Las señales generadas en la presencia de las perlas con imágenes ópticas correspondientes muestran la detección exitosa de las perlas de PS de microesferas en la micro-canal. La conductividad térmica del líquido que pasa a través de la micro-canal está cambiando debido a la presencia de perlas de PS. Este cambio en la conductividad térmica del canal está afectando a la transferencia de calor en el micro-canal. El cambio en la transferencia de calor en el micro-canal es detectada por RTD en la forma de la fluctuación de resistencia (Figura 3A y B).

La señal detectada también puede verse afectada por el cambio en el campo de flujo local (Figura 3C y D), lo que afectará a la transferencia de calor en el canal. El cambio en la conductividad térmica aumentará la temperatura. Además, los cambios de velocidad locales en el micro-canal basanen las dimensiones comparables de la perla de PS para el tamaño del canal, provocando un aumento en la transferencia de calor local. En este caso, el efecto del cambio en la transferencia de calor es dominante tal como aparece como una disminución en la resistencia detectada. Por lo tanto, la correspondencia de tamaño del canal con el tamaño de partícula es esencial en el experimento TPD. Los presentes resultados demuestran la capacidad de la técnica de TPD para contar y detectar el tamaño de las partículas.

El valor medido de la difusividad térmica de glicerol es 9,94 x 10 ^-8 m ² / seg, que está dentro de 8% del valor teórico. Tabla 1 muestra los valores de medición de diferentes muestras de líquido iónico por el método introducido. Para verificar la exactitud de la medición, se midió el calor específico del agua utilizando la misma técnica con error de menos de 5%.

La señal de temperatura detectada debido a la reacción exotérmica de glucosa y DIOS se muestra en la Figura 7A. Tél área de reacción en el micro-canales diseñado es 45% de la superficie total. Para el cálculo de la concentración, se considerará únicamente esta parte de la glucosa. La tasa finita de la reacción de oxidación de la glucosa también se considera como un factor de cinética de reacción. Comparando la concentración detectada con los resultados del medidor de glucosa comerciales disponibles (Figura 7B) muestra una mayor precisión (<30%) en el dispositivo fabricado.

Figura 1. dispositivo de microfluidos para la detección de partículas térmica. (A) esquemática del dispositivo. (B) Vista transversal de la detección de partículas usando el método de medición térmica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. El montaje experimental para la detección de partículas térmica (TPD). Una fuente / metro controlado por ordenador se utiliza para desviar el IDT y mida la resistencia. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Resultados de la detección de partículas térmica. (A) El cambio de resistencia detectada cuando la perla PS 90 micras está pasando el sensor RTD con velocidad de flujo de 5 l / min. El cambio se explica en la conductividad térmica aumentará la temperatura y aparecen en la forma de cambio de resistencia en la medición de resistencia RTD. (B) La imagen óptica de lamismo cordón en la Figura 3A pasa por el sensor. (C) El cambio de resistencia detectada cuando la perla PS 200 micras está pasando el sensor RTD con velocidad de flujo de 5 l / min. (D) La imagen óptica de la misma del grano en la Figura 3C paso el sensor. Esta cifra se ha modificado con el permiso de ^[2]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. El en el chip fabricado micro-calorímetro y el titular del dispositivo. (A) Una fotografía de micromecanizado dispositivo 3 dimensiones suspendida micro-calorímetro en el chip. El chip tiene dos cámaras idénticas, cada una de las cuales tiene dos entradas y una salida. (B) El schematic de la cámara de micro-calorímetro micromecanizado. El micromecanizado RTD se muestra en la superficie superior del dispositivo fabricado. Dispositivo (C) El micro-calorímetro se coloca en el soporte de dispositivo. (D) La configuración final de la micro-calorímetro con conexiones eléctricas y de microfluidos. El resultado de TWA se utiliza para el cálculo de la capacidad de calor. Esta cifra se ha modificado con el permiso de ^[3]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Las conexiones eléctricas de la configuración de la medición térmica con el dispositivo micro-calorímetro. (A) La configuración de la medición para el análisis de tiempo de penetración de calor. El tiempo de penetración de calor medido es el uso d para el cálculo de la conductividad térmica. (B) La configuración de la medición para el análisis de onda térmica. El resultado de TWA se utiliza para el cálculo de la capacidad de calor. Esta cifra se ha modificado con el permiso de ^[3]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. (A) El esquemática del dispositivo basado en papel. (B) La configuración de la medición para la detección colorimétrica basada en papel de glucosa. En esta configuración, una fuente / metro LabVIEW controlado (Keithley 2600) se utiliza para polarizar el RTD y medir la temperatura de forma simultánea. La temperatura medida y el vástago de tiempo se almacenarán mientras se está midiendo. En este experimento Keithley 2600 se utiliza para la medición más rápido.https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7. Los resultados de detección de glucosa con sensor colorimétrico basado en papel. (A) de la señal de salida de la glucosa y la reacción enzimática DIOS. Resultados de la detección final de las muestras de control de glucosa con dispositivo basado en papel en comparación con los resultados del medidor de glucosa comerciales (B). Esta cifra se ha reutilizado con permiso de ^[4]. "Teniendo en cuenta los datos" se calcula la concentración de la glucosa en los experimentos de detección.

Tabla 1. El calor específico medido de líquidos iónicos utilizando la técnica de TWA con el chip micro-calorímetro. Esta tabla se ha modificado con el permiso de los datos publicados ^[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.

No hay conflictos de interés declarado.

Apoyo financiero parcial de este trabajo fue proporcionado por la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos a través del Centro de Investigación Cooperativa Industria / Universidad de Equipos y Política ubicado en la Universidad de Wisconsin-Milwaukee (PII-0968887) y la Universidad de Marquette (PII-0968844) de agua. Damos las gracias a Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang y Shankar Radhakrishnan útil para los debates.