טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic אנליטי

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.

שלוש שיטות מדידה שונות מיקרו בקנה מידה תרמית מוצגות במאמר זה. שלוש התצורות שונות של מכשירי microfluidic משמשות לגילוי תרמית חלקיקים (TPD), אפיון תרמי (מוליכות תרמית וחום ספציפי), וזיהוי calorimetric של תגובות ואינטראקציות כימיות.

גילוי חלקיקים תרמי

זיהוי וספירת חלקיקים במכשירי microfluidic הוא בשימוש נרחב עבור יישומים סביבתיים, תעשייתיים, וביולוגיים ^1. TPD הוא אחד יישומי הרומן של מדידות תרמית במכשירי microfluidic ^2. באמצעות העברת חום לגילוי וספירת חלקיקים המבוססים על גודל החלקיקים מפחית את המורכבות, עלות, וגודלה של המערכת. בשיטות אחרות, אופטיקה המורכבת או מדידות חשמליות מורכבות ותוכנת עיבוד אותות מתקדמת המשמשים לאיתור חלקיקים.

Chara התרמיcterization של חומרים נוזליים באמצעות מיקרו-קלורימטר

אפיון תרמי מדגם נוזלי הוא היישום השני של מדידת תרמית במכשירי microfluidic. ביצוע calorimetry מיקרו בקנה המידה יפחית את צריכת המדגם ולהגדיל את הדיוק על ידי מתן הדירות גבוהות יותר בהשוואה לשיטות קונבנציונליות calorimetry, בתפזורת. הנהלים למוליכות תרמית ומדידת חום סגולי שימוש במכשיר מיקרו-קלורימטר על השבב מוצגים במקום אחר ^3. הפרטים של טכניקת חדירת חום למדידת זמן מוליכות תרמית וניתוח הגל התרמי (TWA) למדידות חום ספציפיות במכשירי microfluidic מתוארים בסעיף הפרוטוקול.

מכשיר microfluidic Calorimetric ביו-כימי איתור בנייר מבוסס

יישום נוסף של מדידת תרמית הוא גילוי ביוכימיים במיקרופלואידיקה המבוסס על נייר. פעולת הנימים במבנה נקבובי של נייר נושא את הנוזל וימנע בעיות ייזום בועה במייקרו-ערוצים. מנגנוני זיהוי הנפוצים ביותר במכשירי microfluidic מבוסס נייר טכניקות אופטיות או אלקטרוכימי. זיהוי אופטי סובל ממורכבות גבוהה ושיש הצורך בתוכנת עיבוד תמונה המתקדמת לקוואנטיזציה האות המזוהות. תגליות אלקטרוכימי גם מוגבלות, משום שהם יכולים להיות מיושמים רק לתגובות המייצרות תוצרי לוואי פעילים. הפלטפורמה הציגה לאחרונה calorimetric מבוסס נייר החיישן ביוכימיים ⁴ מנצלת את מערכת microfluidic מבוסס נייר ומנגנון זיהוי התרמי ללא תווית. הנהלים של זיהוי calorimetric של גלוקוז באמצעות אנזים גלוקוז אוקסידאז (אלוהים) בפלטפורמת מייקרו-נוזלית המבוסס על נייר מוצגים בסעיף הפרוטוקול.

המטרה של מאמר זה היא להדגים את היכולות של טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic. Preparatio המכשירn, מדגם נוזלי גלאי טמפרטורת טיפול והתנגדות עירור חיישן (RTD) ומדידה מוצגים בסעיפים הבאים.

1. חלקיקים איתור תרמי (TPD)

1. הכן את מכשיר סיליקון-מפוברק מיקרו עם קרום סרט דק סיליקון ניטריד וחיישן טמפרטורה משולב על ידי micromachining, באמצעות טכנולוגיית עיבוד מוליכים למחצה סטנדרטיים ^2. יש לשטוף את המכשיר המפוברק עם מים ללא יונים (DI).
   הערה: שיטת הייצור למכשיר microfluidic גלאי חלקיקים תרמיים מוסברת בפרסום לפני ^2.
2. כדי לייצר polydimethylsiloxane מצעים (PDMS) עם מיקרו-ערוצים, ליצור עובש SU8 באמצעות יתוגרפיה סטנדרטית מעבד ^5.
   הערה: גודל הערוץ מיועד לממד אחד של חלקיק מסוים.
   1. הפוך PDMS על ידי ערבוב 10: 1 יחס של בסיס (30 מיליליטר) וסוכן ריפוי (3 מיליליטר). יוצקים את PDMS על העובש ולהסיר את הבועות על ידי חשיפתו לזמן קצר לואקום (5-10 דקות).
      הערה: רמת הוואקום היא לא ערך קריטי לdegasification ואת זה צריך להמשיך עד bubb גזles יוסרו לחלוטין ממעורב PDMS.
   2. מניחים את התבנית על פלטה חמה (~ 70 מעלות צלזיוס) במשך שעה 2 כדי לרפא את PDMS. אז לקלף את PDMS מאוד בזהירות כדי לא לפגוע בעובש.
      הערה: רמת אבק היא לא ערך קריטי.
3. באמצעות אגרוף ידני, אגרוף חור הדוק (1 מ"מ) לצינור PTFE בקצה אחד. השתמש אגרוף גדול (2 מ"מ) בקצה השני כדי להפוך את PDMS מאגר. מניחים את ערוץ מיקרו אגרוף בחלק העליון של המכשיר מתחת למיקרוסקופ וליישר את RTD במרכז ערוץ מיקרו (איור 1 א).
4. בממשק החשמל, לחבר את הסיכות חשמליות בעמדות כרית המגע ולהדק את ברגי הנעילה. ודא סיכות גובה מתכוונן (סיכות פוגו) לשבת ברפידות האלקטרודה הנכונות במכשיר.
5. לדלל 10 μl של חרוזים PS מרוכזים במי DI 100 μl בצינור 1.5 מיליליטר.
6. כדי להבטיח את PS חרוזים להישאר ניטראלי קלילים, להוסיף 2.7 μl של גליצרול (1.26g / סנטימטר ³⁾ למים די כדי להתאים את צפיפות הנוזל לצפיפות חרוז פוליסטירן (PS) (1.05 גר '/ סנטימטר ^3).
7. חבר את צינור PTFE לערוץ בקצה אחד ואת הקצה השני למזרק זכוכית 1 מיליליטר. מלא את מזרק הזכוכית עם 0.5 מיליליטר של מים DI.
   הערה: מתאים הדוק שנעשה על ידי בחירת גודל האגרוף הנכון יהיה למנוע דליפה בצינורות.
8. מניחים את המים די מילאו מזרק על משאבת המזרק מבוקר מחשב. לדחוף את המים (5-20 μl / min) לערוץ כדי למלא את כל הערוץ עם נוזל כל הדרך למאגר.
9. עומס 10 μl של פתרון חרוז מאוזן למאגר ולהציג את פתרון חרוז לערוץ מיקרו על ידי שינוי כיוון הזרימה על משאבת מזרק.
10. הפעל את RTD על ידי הטיית 1 mA של זרם DC במקור / מטר המחשב מבוקר, תוך מדידת ההתנגדות על ידי מקור / מטר ומיון הנתונים שנמדדו (איור 2).
    הערה: במהלך הניסוי, החיישן הוא מוטה; לכן, הטמפרטורה נמדדת ברציפות עד לסוף ניסוי הספירה. חיישן RTD מוטה חשמלי על ידי היישום נוכחי DC בטווח של 100 מיקרו-אמפר לmA 1 למדוד את הטמפרטורה עד סוף ניסוי הספירה ברציפות. זה קריטי כדי לבחור את הרמה הנוכחית הנכונה שכן יש תחלופה בין רמת רעש ומשרעת האות המזוהות. משאבת המזרק משמשת ליצירת הזרימה במייקרו-ערוץ. בחירת קצב זרימה מתאימה כדי לבצע את ניסוי TPD מוגבל למהירות של המדידה. מהירות זו היא פונקציה של זמן קבוע התרמית של המכשיר ומהירות מדידה חשמלית. התוצאות של ניסוי גילוי חלקיקים תרמי מוצגות באיור 3.
11. השתמש בתוכנה שפותחה על עיבוד נתונים (LabVIEW) להמיר את נתוני התנגדות נמדדו טמפרטורה באמצעות משוואת Callendar-ואן דוסן ^6.

2. תרמייםאפיון של חומרים נוזליים באמצעות מיקרו-קלורימטר

1. בתהליך זה, להשתמש במכשיר על-שבב קלורימטר (איור 4 א) ³ למדוד את diffusivity התרמי והחום סגולי של הדגימות.
   הערה: בכל ימות, יש 2 תאי מיקרו-קלורימטר (איור 4). לכל תא 2 פתחי הכניסה ויציאה אחת. וכל תא יש חימום וחיישן RTD המשולב.
2. מניחים את מכשיר מיקרו-קלורימטר על בעל המכשיר (איור 4C). יישר את המכשיר לצריכת microfluidic ושקעים עם אבזרי בעל. מניחים את שכבת חותם PDMS על גבי המכשיר.
3. התקן סיכות חיבור חשמליות על בעל המכשיר ולנעול את הברגים מחזיק.
   הערה: ודא סיכות פוגו גובה מתכוונן מיושרות עם כריות מגע חשמליות.
4. התקן את שכבת ממשק microfluidic עם תפסים מגנטיים לבעל המכשיר (איור 4D). חבר PTFE צינורות שני פתחי הכניסה והיציאה. חבר כניסה אחת ל- נטען מדגם משאבת המזרק ולסגור את השני, כמו אנתלפיה אינה נמדדה במקרה זה.
5. השתמש בתכנית מבוקרת מחשב שפותחה כדי לטעון את המדגם לערוץ מיקרו ותאים.
   הערה: התכנית תשתמש זרימה הופסקו לשחרר לחץ מוגזם על החדר המושעה סרט דק.
   1. טען את מדגם 300 μl לתוך מזרק הזכוכית ולמקם אותו על משאבת המזרק. השתמש (0.25 μl / min) שיעורי זרימה מתמידים איטיים מאוד עבור דגימות צמיגות גבוהות (למשל, גליצרול ונוזלים יוניים). השתמש מדגם גליצרול למדידות תרמית diffusivity ונוזלים יוניים למדידות חום סגוליות.
6. מדידות
   1. מדידות diffusivity תרמיים
      1. חבר את התקנת המדידות כפי שמוצג באיור 5 א. טען את מדגם גליצרול לתא מיקרו-קלורימטר. הפעל את תכנית המחשב נשלט שונה מערכות חימום חדירה לא מדידת זמן.
      2. השתמש במשוואת חדירת חום המכויל כדי לחשב diffusivity תרמית מרגע חדירת החום שנמדד ^7:
         
         שבו α הוא diffusivity התרמי, L הוא עובי של קאמרי, עמ 'הוא גורם כיול עובי בשל וריאציה תהליך הייצור, ולא ₀ זמן חדירת חום.
   2. מדידות חום סגולית
      1. השתמש בהגדרת מדידת TWA כפי שמוצג באיור 5. השתמש באותה תכנית טעינת מדגם ולטעון את הנוזל היוני בתא. הפעל את תכנית TWA כדי לקבל את המשרעת של תנודות טמפרטורת AC (∂ T _AC) ולהשתמש במשוואת החום הסגולית לחישוב ספציפי, _{עמ 'ג,} חום עבור כל דגימת נוזל יונית ^8:
         "Width =" 117 28eq2.jpg "/>
         כאשר C הוא גורם כיול ₀ כוח קלט, P _בהוא כוח קלט, ω הוא התדר של האות להפעלה ללא, וM היא המסה של מדגם נוזלי.

3. Calorimetric יוכימית איתור במכשיר microfluidic מבוסס נייר

1. השתמש חיישן RTD סרט דק (40-50 ננומטר ניקל) microfabricated. צעדי ייצור לחיישן RTD מוסברים בעבודות קודמות ^4.
2. עבור ייצור ערוץ המבוסס על נייר ^4, להשתמש תואי סכין כדי לחתוך את נייר ערוצי microfluidic עם דפוס שנועד (L-צורה). הנח את הנייר על גבי מחצלת החיתוך, טענת את הנייר ומחצלת החיתוך לתואי הסכין, ולהשתמש במתכון המתאים לחתוך את נייר ערוצי microfluidic ^4.
3. לשילוב מכשיר וערוץ, להשתמש שכבת דבק אקרילי (5 מיקרומטר) לשלב את הנייר על חיישן RTD. השתמש ב נקיאדה לדחוף את הנייר למכשיר ולהסיר בועות אוויר (איור 6 א). סרט אקריליק הוא שכבת דבק להחזיק את הנייר על חיישן RTD.
4. להפעלת אנזים, להשתמש חיץ נתרן אצטט 50 מ"מ על מנת להפעיל את אנזים אלוהים. להוסיף 1 מ"ג של אנזים אלוהים 1 מיליליטר של חיץ נתרן אצטט לעשות 1 מ"ג / מיליליטר הפתרון. התאם את ה- pH של התמיסה 5.1.
   הערה: התאם את כמות החומצה אצטית במאגר נתרן אצטט כדי לשמור על PH של 5.1 פתרון.
5. ההטיה RTD עם 1 נוכחי mA של DC כדי להפעיל את RTD ולהתחיל למדוד את מקור התנגדות / המטר ברציפות תוך ההתנגדות נרגעת לאחר הניסוי (~ 4 דקות).
   הערה: איור 6 מראה את התקנת המדידה לבדיקת calorimetric המבוסס על נייר.
6. להציג 2 μl של פתרון אלוהים הכין למרכז נייר ערוץ מיקרו (אתר קיבוע) באמצעות פיפטה. הטמפרטורה זוהתה (איור 7 א) חייבת להתחיל to להקטין.
   הערה: אפקט קירור זאת בשל הטמפרטורה גבוהה יותר בהפעלתה של RTD ואידוי של המדגם יחד.
7. כדי למדוד את ריכוז הסוכר, להציג שליטת גלוקוז סטנדרטית פתרון ⁹ לכניסת הערוץ ולמדוד את השינוי בהתנגדות שנגרם על ידי התגובה. חזור על ניסוי זה עם כל פתרונות השונים שליטת גלוקוז (גבוהים, רגילים וריכוזים נמוכים) ולשמור את נתוני התנגדות.
8. שימוש במקדם הטמפרטורה של ההתנגדות (TCR) לRTD ניקל ומשוואת Callendar-ואן דוסן, להמיר את שינוי ההתנגדות לטמפרטורה. חשב את הריכוז של גלוקוז בכל דגימה על ידי בהתחשב באנתלפיה התגובה של גלוקוז ואנזים אלוהים (Δ H = -80 kJ / שומה) ובאמצעות משוואת הריכוז ^10:
   
   כאשר _p n מזוהה ריכוז טוחנת, C _{P הוא קיבולת חום של המערכת וΔT מחושב טמפרטורה.}

איור 3 מציג את העלילה של האות התרמית נמדדה. האותות שנוצרו בנוכחות חרוזים עם תמונות אופטיות מקבילה להראות זיהוי המוצלח של חרוזים PS microsphere בערוץ מיקרו. מוליכות התרמית של הנוזל עובר דרך ערוץ מיקרו משתנים בשל נוכחותם של חרוזים PS. שינוי במוליכות התרמית של הערוץ זה משפיע על העברת החום במייקרו-הערוץ. השינוי בהעברת החום בערוץ המייקר הוא זוהה על ידי RTD בצורה של תנודות התנגדות (איור 3 א 'וב').

האות המזוהות גם יכולה להיות מושפעת מהשינוי בשדה הזרימה המקומי (איור 3 ג ו-ד '), אשר ישפיע על העברת החום בערוץ. השינוי במוליכות התרמית יגדיל את הטמפרטורה. יתר על כן, בערוץ מייקר המהירות המקומי השינויים מבוססיםעל הממדים דומים של חרוז PS לגודל הערוץ, גורם לעלייה בהעברת חום מקומית. במקרה זה, ההשפעה של שינוי בהעברת חום היא דומיננטית כפי שהוא מופיע כירידה בהתנגדות זוהתה. לכן, ההתכתבות של גודל ערוץ עם גודל חלקיקים היא חיונית בניסוי TPD. התוצאות הנוכחיות מדגימות את היכולת של טכניקת TPD לספור ולזהות את הגודל של חלקיקים.

הערך שנמדד של diffusivity התרמי של גליצרול הוא 9.94 x 10 מ ^{'-8 2} / sec, שנמצא בתוך 8% מהערך התיאורטי. טבלת 1 מציגה את הערכים שנמדדו בדגימות נוזלים יוניים שונות בשיטה הציגה. כדי לאמת את הדיוק של המדידה, החום הסגולי של מים נמדד תוך שימוש באותה הטכניקה עם שגיאה של פחות מ -5%.

אות הטמפרטורה זוהתה בשל התגובה אקסותרמית של גלוקוז ואלוהים מוצג באיור 7 א. T הוא אזור התגובה על מיקרו-הערוץ המיועד הוא 45% מהשטח הכולל. כדי לחשב את הריכוז, רק חלק זה של גלוקוז ייחשב. השיעור הסופי של תגובת חמצון גלוקוז נחשב גם כגורם קינטיקה תגובה. השוואת הריכוז המזוהה עם תוצאות מטר גלוקוז מסחריות זמינות (איור 7) מראה דיוק גבוה יותר (<30%) במכשיר המפוברק.

איור 1. המכשיר microfluidic לגילוי חלקיקים תרמי. סכמטי () התקנים. (ב) יכול לצפות בחתך של גילוי החלקיקים בשיטת מדידת התרמית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

"תמיד">
איור 2. הגדרת הניסוי לגילוי תרמית החלקיקים (TPD). מקור / מטר מבוקר מחשב משמש להטיית RTD ולמדוד את ההתנגדות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. תוצאות של גילוי חלקיקי תרמית. (א) שינוי ההתנגדות המזוהה כאשר חרוז PS 90 מיקרומטר עובר חיישן RTD עם קצב זרימה של 5 μl / דקה. השינוי הסביר במוליכות התרמית יגדיל את הטמפרטורה ומופיע בצורה של שינוי התנגדות במדידת התנגדות RTD. (ב) התמונה האופטית שלאותו חרוז באיור 3 א עוברים החיישן. (ג) שינוי ההתנגדות המזוהה כאשר חרוז PS 200 מיקרומטר עובר חיישן RTD עם קצב זרימה של 5 μl / דקה. (ד) תמונה האופטית של אותו חרוז כבדרך אגב איור 3 ג החיישן. נתון זה השתנה באישור ^[2]. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4. מפוברק על שבב מיקרו-קלורימטר ובעל המכשיר. (א) תצלום של מכשיר 3 ממדי micromachined על שבב מיקרו-קלורימטר המושעה. יש השבב שני תאים זהים, כל אחד מהם יש שני פתחי הכניסה ויציאה אחת. (ב) schematIC של חדר מיקרו-קלורימטר micromachined. RTD micromachined מוצג על פני השטח העליונים של המכשיר המפוברק. מכשיר (C) מיקרו-קלורימטר מושם על בעל המכשיר. ההתקנה הסופית של מיקרו-קלורימטר עם חיבורי חשמל וmicrofluidic (ד '). התוצאה של TWA משמשת לחישוב קיבולת חום. נתון זה השתנה באישור ^[3]. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. חיבורי החשמל של התקנת מדידת תרמית עם מכשיר מיקרו-קלורימטר. (א) הגדרת המדידה לניתוח בזמן חדירת חום. זמן חדירת חום שנמדד הוא שימוש ד לחישוב מוליכות תרמית. (ב) התקנת המדידה לניתוח גל תרמי. התוצאה של TWA משמשת לחישוב קיבולת חום. נתון זה השתנה באישור ^[3]. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6. (א) סכמטי של המכשיר המבוסס על הנייר. (ב) התקנת המדידה לזיהוי calorimetric המבוסס על נייר של גלוקוז. בהגדרה זו, מקור / מטר בשליטת LabVIEW (Keithley 2,600) משמש להטיית RTD ולמדוד את הטמפרטורה בו זמנית. הטמפרטורה שנמדדה וגזע הזמן יאוחסנו בזמן שנמדד. בניסוי זה Keithley 2,600 משמש למדידת מהירות."Target =" _ https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7. תוצאות זיהוי גלוקוז עם חיישן calorimetric המבוסס על נייר. () אות פלט של גלוקוז ותגובת אנזים אלוהים. (ב) תוצאות זיהוי הסופי של דגימות בקרת גלוקוז עם מכשיר המבוסס על נייר לעומת תוצאות מטר גלוקוז מסחריות. נתון זה כבר בשימוש חוזר באישור ^[4]. "נתונים נתונים" מחושבים ריכוז של גלוקוז בניסויי זיהוי.

טבלת 1. חום הסגולי נמדד של נוזלים יוניים באמצעות טכניקת TWA עם מיקרו-קלורימטר על השבב. טבלה זו שונתה באישור מהנתונים שפורסמו ^[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.

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

תמיכה כספית חלקית עבור עבודה זו סופקה על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב דרך המרכז למחקר השיתופי התעשייה / אוניברסיטה במי ציוד ומדיניות הממוקמת באוניברסיטה ויסקונסין-מילווקי (IIP-0,968,887) ואוניברסיטת מרקט (IIP-0,968,844). אנו מודים גלן מ 'ווקר, וו-ג'ין צ'אנג והנקר Radhakrishnan לדיונים מועילים.