分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

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.

三つの異なるマイクロスケールの熱測定技術は、この資料に示されています。マイクロ流体デバイスの三つの異なる構成は、熱粒子検出（TPD）、熱特性（熱伝導率および比熱）と、化学反応との相互作用の比色検出のために使用されます。

熱粒子検出

マイクロ流体デバイス中の粒子を検出し、カウントが広く、環境、産業、および生物学的用途¹に使用されます。 TPDは、マイクロ流体デバイス²の熱測定の新たなアプリケーションの1つです。粒子サイズに基づいて粒子を検出および計数するための熱伝達を使用すると、システムの複雑さ、コスト、およびサイズ​​を減少させます。他の方法では、複雑な光学部品や複雑な電気的測定及び高度な信号処理ソフトウェアは、粒子を検出するために使用されます。

熱キャラマイクロカロリメータを用いた液体物質のcterization

液体試料熱特性は、マイクロ流体デバイス内の熱測定の第二のアプリケーションです。マイクロスケールの熱量測定を実行すること、サンプル消費量を低減し、従来のバルク熱量測定法と比較してより高い再現性を提供することにより、精度を増加させます。オンチップマイクロ熱量計装置を用いて熱伝導率および比熱を測定するための手順は、他の場所³に提示されています。熱伝導率測定のための熱の浸透時間の技術とマイクロ流体デバイスにおける比熱測定用の熱波解析（TWA）の詳細については、プロトコルの項に記載されています。

紙ベースのマイクロ流体デバイスにおける比色バイオケミカル検出

熱測定の別の用途は、紙ベースのマイクロ流体工学における生化学的検出です。での毛管作用紙の多孔質構造は、液体を搬送し、マイクロチャネル内の気泡の開始の問題を回避します。紙ベースのマイクロ流体デバイスの中で最も一般的な検出機構は、光学的又は電気化学的技術です。光学的検出は非常に複雑に悩まさ、高度な画像処理ソフトウェアの必要性が検出された信号を量子化します。それらは唯一の活性副生成物を生成する反応に適用することができるので、電気化学的検出も限られています。最近導入された比色紙ベースの生化学センサープラットフォーム^4は、紙ベースのマイクロ流体システムおよびラベルフリー熱検出機構を利用しています。紙ベースのマイクロ流体プラットフォームでグルコースオキシダーゼ（GOD）酵素を用いたグルコースの比色検出の手順は、プロトコルセクションに示されています。

本稿の目的は、マイクロ流体デバイスの熱測定技術の能力を実証することです。デバイスpreparationは、液体試料取り扱いおよび抵抗温度検出器（RTD）センサ励起及び測定は、次のセクションに示されています。

1.熱粒子検出（TPD）

1. 標準的な半導体加工技術^2を用いて、微細加工によって薄膜シリコン窒化膜と内蔵温度センサを微細加工シリコンデバイスを準備します。脱イオン（DI）水で製造されたデバイスをすすぎます。
   注意：熱粒子検出器、マイクロ流体デバイスの製造方法は、従来文献²に説明されます。
2. マイクロチャネルを有するポリジメチルシロキサン（PDMS）基板を製造するために^、5を処理する標準的なリソグラフィを用いて、SU8型を作成します。
   注：チャネルサイズは、各特定の粒子の大きさのために設計されています。
   1. 1塩基の割合（30ミリリットル）と硬化剤（3ミリリットル）：10を混合することによりPDMSを行います。金型へのPDMSを注いで簡単に真空（5〜10分間）に曝露することにより気泡を除去。
      注：真空レベルは、脱ガスの臨界値ではなく、それはガスbubbまで継続すべきですレは、完全に混合PDMSから削除されます。
   2. PDMSを硬化させるために2時間ホットプレート（〜70℃）での金型を置きます。金型を傷つけないように続いて非常に慎重にPDMSを剥がします。
      注：真空レベルが臨界値ではありません。
3. マニュアルパンチを使用して、一方の端部にPTFE管用タイト穴（1 mm）をパンチ。 PDMSリザーバを作るためにもう一方の端に大きなパンチ（2 mm）を使用してください。顕微鏡下でのデバイスの上にパンチマイクロ流路を配置し、マイクロ流路（ 図1A）の中心でRTDを揃えます。
4. 電気的インターフェースでは、コンタクトパッド位置で電気ピンを接続し、固定ネジを締めます。高さ調節可能なピン（ポゴピン）は、デバイス上の正しい電極パッドに座っていることを確認します。
5. 1.5mlチューブに脱イオン水100μlに集中PSビーズを10μl希釈します。
6. （グリセロールの2.7μlを添加、1.26をビーズが中性浮力ままPSを確保するために、グラム/ cm ^3）を脱イオン水に、ポリスチレン（PS）ビーズの密度に流体密度（一致1.05グラム/ cm ³で）。
7. 一方の端部でのチャネルと1ミリリットルのガラスシリンジに他端にPTFEチューブを接続します。 DI水0.5mlでガラスシリンジを埋めます。
   注：右のパンチサイズを選択することによって作られたタイトフィットがチューブに漏れが回避されます。
8. コンピュータ制御のシリンジポンプにDI水充填された注射器を置きます。流体をリザーバにすべての方法を、チャネル全体を埋めるために、チャネル内に水（5〜20μL/ min）を押します。
9. 負荷10のリザーバにバランスのとれたビーズ溶液のマイクロリットルシリンジポンプに流れ方向を変化させることによって、マイクロチャネルにビーズ溶液を導入します。
10. ソース/メーターで抵抗を測定し、（ 図2）は、測定データをソートしながら、コンピュータ制御のソース/メーターを介して直流電流1mAのバイアスをかけることによって、RTDをオンにします。
    注：実験の間、センサはバイアスされ;従って、温度を連続的に計数実験終了まで測定されます。 RTDセンサは、電気的に連続して計数実験の終了時まで温度を測定するために100μAから1ミリアンペアの範囲で直流電流を印加することによってバイアスされます。ノイズレベルと検出信号の振幅との間のトレードオフが存在するので、それは適切な電流レベルを選択することが重要です。シリンジポンプは、マイクロチャネル内の流れを生成するために使用されます。 TPD実験を実行するための適切な流量を選択すると、測定の速度に制限されます。この速度は、デバイスと電気測定速度の熱時定数の関数です。熱粒子検出実験の結果を図3に示します。
11. カレンダー-ヴァンドゥーゼン式^6を使用して、温度に測定された抵抗データを変換するために開発されたデータ処理ソフトウェア（LabVIEWの）を使用します。

2.熱マイクロ熱量計を用いた液体物質のキャラクタリゼーション

1. このプロセスでは、熱拡散率と試料の比熱を測定するためのオンチップ熱量計装置（ 図^{4A）3 を}使用します。
   注：各ダイ上に、2マイクロ熱量計室（ 図4B）があります。各チャンバーは2入口と一つの出口を有しています。また、各チャンバーはヒーターとRTDセンサー統合を持っています。
2. デバイスホルダー（ 図4C）上のマイクロ熱量計装置を配置します。ホルダーの金具を使用し、マイクロ流体入口と出口にデバイスを合わせます。デバイスの上にPDMSシール層を配置します。
3. デバイスホルダーに電気的接続ピンを取り付け、ホルダーのネジをロックします。
   注：高さ調節可能なポゴ·ピンが電気接触パッドと整列していることを確認してください。
4. デバイスホルダー（ 図4D）に磁気ラッチ付きマイクロ流体界面層をインストールします。 PTを接続しますFEは、入口と出口の両方にチューブ。エンタルピーは、この場合には測定されないように、サンプルを装填し、シリンジポンプに一つの入口を接続し、もう一方を閉じます。
5. マイクロチャネルおよびチャンバにサンプルをロードするために開発されたコンピュータ制御プログラムを使用します。
   注：このプログラムは、薄膜懸濁室に過度の力を解放するために中止フローを使用します。
   1. ガラスシリンジに300μlのサンプルをロードし、シリンジポンプの上に置きます。高粘度のサンプル（ 例えば 、グリセロールおよびイオン性液体）のための非常に遅い（0.25μL/分）は、一定の流量を使用してください。比熱測定のための熱拡散率の測定とイオン液体のためのグリセロールサンプルを使用してください。
6. 測定結果
   1. 熱拡散率の測定
      1. 図5（a）に示すように、測定のセットアップを接続します。マイクロ熱量計チャンバにグリセロールサンプルをロードします。ょんのための修正されたコンピュータ制御プログラムを実行します。 T浸透時間測定。
      2. 測定された熱浸透時間⁷から熱拡散率を計算するために較正された熱浸透式を使用します。
         
         αは熱拡散率であり、Lは、チャンバの厚さであり、pは、製造プロセスの変動に起因する厚さの較正係数であり、t _0は、熱浸透時間です。
   2. 比熱測定
      1. 図5（b）に示すように、TWA測定のセットアップを使用してください。同じサンプルローディングプログラムを使用して、チャンバ内のイオン性液体をロードします。 AC温度変動の振幅（∂T _AC）を取得し、特定の、C _pを計算するために、特定の熱方程式を使用し、各イオン性液体試料⁸のための熱するTWAプログラムを実行します。
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         C _0は、入力電力較正係数であり、入力電力であるP _で 、ωは、駆動信号の周波数であり、mは、液体試料の質量です。

紙ベースのマイクロ流体デバイス内の3熱量生化学的検出

1. 微細加工、薄膜（40〜50 nmのニッケル）RTDセンサを使用してください。 RTDセンサーの製造工程は、前の作品⁴で説明されています。
2. 紙ベースのチャネルの製作⁴の場合は、紙に設計されたパターン（L字型）とマイクロ流体チャネルを切断するためにナイフプロッタを使用しています。カッティングマットの上に紙を置き、ナイフプロッタに紙やカッティングマットをロードし、マイクロ流体紙チャンネル^4を切断するための適切なレシピを使用します。
3. デバイスとチャネルの統合については、RTDセンサ上に紙を統合するために、アクリル系粘着剤層（5μm）を使用します。きれいなBを使用してくださいデバイスに紙をプッシュして（ 図6A）の気泡を除去するために、クレード。アクリルフィルムは、RTDセンサーの上に紙を保持するための接着剤層です。
4. 酵素活性化のために、GOD酵素を活性化するために、50mMの酢酸ナトリウム緩衝液を使用します。 1mg / mlの溶液を作製するための酢酸ナトリウム緩衝液1mlにGOD酵素1mgを加えます。 5.1に溶液のpHを調整します。
   注：溶液を5.1のpHを維持するために、酢酸ナトリウム緩衝液中の酢酸の量を調整します。
5. 直流電流1mAのとバイアスRTD RTDを活性化し、抵抗は実験（〜4分）の後に落ち着くながら連続的に抵抗ソース/メーターの測定を開始します。
   注： 図6Bは、紙ベースの比色試験のための測定のセットアップを示しています。
6. ピペットを介して、紙、マイクロチャンネル（固定化部位）の中心に準備されたGOD溶液2μLをご紹介します。検出された温度（ 図7A）は、Tを起動する必要がありますO減少。
   注：この冷却効果は、RTDと一緒にサンプルの蒸発の高い動作温度に起因するものです。
7. グルコース濃度を測定するために、チャネルの入口に標準血糖コントロール液^9を導入し、反応による抵抗変化を測定します。すべての異なる血糖コントロールソリューション（高、標準および低濃度）で、この実験を繰り返し、抵抗データを保存します。
8. ニッケルRTD及びカレンダー·ヴァンドゥーゼン方程式の抵抗の温度係数（TCR）を使用して、温度に対する抵抗の変化に変換します。グルコースの反応エンタルピーとGOD酵素（ΔH = -80 kJの/モル）を考慮し、濃度の式^10を用いて、各試料中のグルコースの濃度を計算します。
   
   N _pはモル濃度、Cが検出された場合 _{P系の熱容量であり、ΔTは、計算された温度です。}

図3は、測定された熱信号のプロットを示します。対応する光学画像とビーズの存在下で生成した信号は、マイクロチャネル内の微小球PSビーズの検出に成功を示します。マイクロ流路を通過する液体の熱伝導率は、PSビーズの存在による変化しています。チャネルの熱伝導率の変化は、マイクロチャネル内の熱伝達に影響を及ぼしています。マイクロチャネル内の熱伝達の変化は抵抗変動（ 図3AおよびB）の形でRTDによって検出されます。

検出された信号は、チャネル内の熱伝達に影響を与える局所流れ場（ 図3C及びD）の変化によって影響され得ます。熱伝導率の変化は、温度を増加させます。また、マイクロ流路内の局所速度の変更がベースチャネルサイズのPSビーズの寸法に匹敵する、局所熱伝達の増大を招きます。それが検出された抵抗の減少として現れるように、この場合には、熱伝達の変化の影響が支配的です。したがって、粒子サイズのチャネルサイズの対応がTPD実験に不可欠です。この結果は、粒子の大きさをカウントし、検出するために、TPD技術の能力を実証します。

グリセロールの熱拡散率の測定値は理論値の8％以内であり、9.94×10 ^-8 M ² /秒である。 表1は、導入された方法により、異なるイオン性液体の試料の測定値を示しています。測定の精度を確認するために、水の比熱が5％未満の誤差と同じ技術を用いて測定しました。

グルコースの発熱反応による温度検出信号と、GODは、 図7Aに示されています。 T設計されたマイクロチャネルに彼の反応面積が全面積の45％です。濃度を計算するために、グルコースのこの部分だけを考えます。グルコースの酸化反応の有限の速度は、反応速度論的因子として考えられています。市販のグルコース計の結果と検出濃度を比較すると（ 図7B）は、製造されたデバイスに高精度（<30％）を示しています。

熱粒子検出のための1マイクロ流体デバイス図。 （A）デバイスの概略図。（B）熱測定法を用いた粒子検出の断面図である。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図2.熱粒子検出（TPD）のための実験のセットアップは 、コンピュータ制御のソース/メータがバイアスRTDに使用し、抵抗を測定されている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図熱粒子検出の3.結果。（A）90ミクロンのPSビーズを5マイクロリットル/分の流量でRTDセンサを通過している検出された抵抗変化。熱伝導率の変化について説明し、温度を増加させ、RTDの抵抗測定における抵抗変化の形で表示される。（B）の光学像を図3Aに同じビーズセンサーを通過する。（C）が200μmのPSビーズは、5μL/ minの流速でRTDセンサーを通過する検出された抵抗変化を、（D）は 、同じビーズの光学像を、図3（c）の通過にセンサー。この図は^、[2]からの許可を得て変更されている^。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図4.オンチップマイクロカロリメータとデバイスホルダーを作製した。（A）マイクロマシン3次元オンチップ懸濁マイクロカロリメータ装置の写真を。チップは、2つの同一のチャンバ、2つの入口と一つの出口をそれぞれ有するを有する。（B）をschematマイクロマシン、マイクロカロリメータ室のIC。マイクロマシンRTD作製装置の上面に示されている。（C）マイクロ熱量計デバイスは、デバイスホルダに配置される。（D）電気マイクロ流体接続部を有するマイクロ熱量計の最後のセットアップ。 TWAの結果は、熱容量の計算に使用されます。この図は^、[3]からの許可を得て変更されている^。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

マイクロ熱量計装置と熱測定装置の電気接続図5（A）熱浸透時間解析のための測定セットアップ。測定された熱浸透時間は、使用することです熱伝導率の計算のためにD。（B）熱波解析のための測定セットアップ。 TWAの結果は、熱容量の計算に使用されます。この図は^、[3]からの許可を得て変更されている^。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図6（A）紙ベースの装置の概略。（B）は 、グルコースの紙ベースの比色検出のための測定セットアップ。この設定では、LabVIEWの制御ソース/メーター（ケースレー2600）バイアスRTDに使用され、同時に温度を測定します。測定された温度と時間ステムを測定しながら格納されます。この実験ではケースレー2600は、より高速測定に使用されます。https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図7.紙ベースの比色センサーとグルコース検出結果グルコースおよびGOD酵素反応の（A）の出力信号（B）商業グルコース計結果と比較した紙ベースのデバイスとグルコースコントロールサンプルの最終的な検出結果。この図は^、[4]から許諾を得て再掲しています。 「特定のデータ」は、検出実験中のグルコースの濃度を算出します。

表1.オンチップマイクロカロリメータとTWA技術を用いてイオン性液体の測定比熱。この表は公表されたデータから許可を得て変更されている^[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.

利害の衝突は宣言されていません。

この仕事のための部分的な財政支援はウィスコンシン州ミルウォーキー（IIP-0968887）の大学とマルケット大学（IIP-0968844）に位置する給水用機器＆政策に関する産業/大学共同研究センターを通じて、米国国立科学財団によって提供されました。私たちは役に立つ議論のためにグレン·M.ウォーカー、ウー·ジン·チャンとシャンカルラダクリシュナンに感謝します。