Тепловые методы измерения в аналитической микрофлюидных устройств

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.

Три различных микро-масштабе методы измерения тепловых представлены в этой статье. Три различные конфигурации устройств микрожидкостных используются для обнаружения тепловой частиц (ТПД), тепловой характеристике (теплопроводность и теплоемкость), и калориметрического обнаружения химических реакций и взаимодействий.

Обнаружение Тепловая частиц

Обнаружение и подсчет частиц в микрофлюидных устройств широко используется для экологических, промышленных и биологических приложений ^1. TPD является одним из новых приложений тепловых измерений в микрожидкостных устройств ^2. Использование теплопередачу для обнаружения и подсчета частиц на основе размера частиц уменьшает сложность, стоимость и размер системы. В других методов, сложных или комплексных оптики электрических измерений и современное программное обеспечение обработки сигналов используются для детектирования частиц.

Тепловая Чараcterization жидких веществ с помощью Micro-калориметр

Жидкость образец тепловой характеристика Второе применение теплового измерения в микрофлюидных устройств. Выполнение микро-масштабе калориметрии снизит потребление образец и увеличить точность, предлагая более высокую повторяемость по сравнению с обычными методами, сыпучих калориметрии. Процедуры для теплопроводности и удельной тепловой измерения с использованием микро-калориметр устройство на чипе представлены в другом месте ^3. Подробная информация о технике времени проникновения тепла для измерения теплопроводности и термического анализа волны (TWA) для измерений теплоемкости в микрофлюидных устройств описаны в разделе протокола.

Калориметрическое Био-химического обнаружения в бумажной Микрожидкостных Устройство

Другое применение теплового измерения биохимические обнаружение в бумажных микрофлюидики. Капиллярное действие впористая структура из бумаги несет жидкость и позволяет избежать проблем пузырь инициации в микро-каналов. Наиболее распространенные механизмы обнаружения в бумажных микрофлюидных устройств оптических или электрохимических методов. Оптическое детектирование страдает от высокой сложности и необходимость современного программного обеспечения для обработки изображений для квантования обнаруженный сигнал. Электрохимические обнаружений также ограничены, так как они могут быть применены только к реакциям, которые производят активные побочных продуктов. Недавно представила Калориметрический бумажной основе биохимического датчика платформа ⁴ использует бумажной основе микрофлюидного системы и механизма термического обнаружения этикеток бесплатно. Процедуры калориметрического выявления глюкозы с использованием оксидазы глюкозы (Бога) фермент в бумажной микрофлюидного платформы представлены в разделе протокола.

Целью данной работы является демонстрация возможности методов измерения тепловых в микрофлюидных устройств. Препараты устройствон, детектор обращение и термостойкость жидкий образец (RTD), возбуждение датчика и измерение представлены в следующих разделах.

1. Тепловая обнаружения частиц (ТПР)

1. Подготовка микро-изготовлены кремния устройства с тонкопленочной мембраны из нитрида кремния и встроенным датчиком температуры по микрообработке, используя стандартные технологии полупроводников ² обработки. Промойте изготовленный устройство с деионизированной (DI) воды.
   Примечание: Способ изготовления для детектора тепловых частиц микрофлюидного устройства объясняется в публикации предварительного ^2.
2. Для получения полидиметилсилоксановые (PDMS) подложек с микро-каналов, создать SU8 формы, используя стандартные процессы литографии ^5.
   Примечание: размер канала предназначен для измерения каждого конкретного частицы.
   1. Сделать PDMS путем смешивания 10: 1 отношение основания (30 мл) и отвердитель (3 мл). Вылейте PDMS на в пресс-форму и удалить пузырьки кратко подвергая его воздействию вакуума (5-10 мин).
      Примечание: уровень вакуума не критическое значение для дегазации и она должна продолжаться до тех пор газа Bubbле полностью удалена из смешанных PDMS.
   2. Поместите форму на плиту (~ 70 ° C) в течение 2 ч, чтобы вылечить PDMS. Тогда снимайте PDMS очень осторожно, чтобы не повредить форму.
      Примечание: Уровень вакуума не критическое значение.
3. Использование ручного удар, удар жесткий отверстие (1 мм) для PTFE трубки на одном конце. Использование большого удар (2 мм) на другом конце, чтобы сделать PDMS резервуара. Поместите перфорированную микро-канал на верхней части устройства под микроскопом и выровнять RTD в центре микро-канала (фиг.1А).
4. В электрическом интерфейсе, подключения электрических контактов на контактных позиций площадку и подтянуть стяжные винты. Убедитесь, что регулируемые по высоте штифты (Pogo контактов) сидеть на правильных электродных пластин на устройстве.
5. Развести 10 мкл концентрированного бусин PS в 100 мкл дистиллированной воды в 1,5 мл пробирку.
6. Для обеспечения PS шарики остаются нейтральную плавучесть, добавить 2,7 мкл глицерина (1.26г / см ³⁾ в деионизированной воде, чтобы соответствовать плотности жидкости к полистирол (PS) плотности шарика (1,05 г / см ^3).
7. Подключение ПТФЭ трубку с каналом на одном конце, а другой конец к стекл нным шприцем 1 мл. Заполните стеклянный шприц 0,5 мл деионизованной воды.
   Примечание: плотно прилегающие, сделанное выбора правильного размера удар будет избежать утечки в трубах.
8. Поместите DI воды заполненные шприц на компьютерным управлением шприцевой насос. Нажмите воды (5-20 мкл / мин) в канал для заполнения весь канал с жидкостью всю дорогу до водохранилища.
9. Нагрузка 10 мкл сбалансированного борта решения резервуара и ввести шарик решение микро-канал, изменяя направление потока на шприцевой насос.
10. Включите RTD от смещения 1 мА постоянного тока через управляемый компьютером источника / измерителя при измерении сопротивления по источника / измерителя и сортировки измеренные данные (рисунок 2).
    Примечание: В ходе эксперимента, датчик смещен; Поэтому температура не постоянно измеряется до конца эксперимента подсчета. Датчик RTD электрически смещены с применением постоянного тока в диапазоне от 100 мкА до 1 мА, чтобы непрерывно измерять температуру до конца эксперимента подсчета. Это имеет решающее значение для выбора правильного уровня текущего, так как есть компромисс между уровнем шума и амплитуды обнаруженного сигнала. Шприцевой насос используется для генерации потока в микро-канал. Выбор соответствующего расхода для проведения эксперимента TPD ограничена скоростью измерения. Эта скорость зависит от тепловой постоянной времени устройства и электрической скорости измерений. Результаты эксперимента детектировани с тепловой частиц показаны на рисунке 3.
11. Используйте разработанного программного обеспечения для обработки данных (LabVIEW) для преобразования измеренных данных сопротивления от температуры с помощью уравнения Ван-Каллендара Дьюзена ^6.

2. ТепловаяХарактеристика жидких веществ с использованием микро-калориметр

1. В этом процессе, с помощью калориметра устройство на кристалле (фиг.4А) ³ для измерения температуропроводности и теплоемкости образцов.
   Примечание: На каждом умереть, есть 2 микро-калориметр камеры (рис 4б). Каждая камера имеет 2 входов и один выход. И каждая камера имеет нагреватель и датчик RTD интегрированный.
2. Поместите микро-калориметр устройство на держателе устройства (рис 4C). Совместите устройство к микрофлюидных входов и выходов с держателем арматуры. Поместите уплотнения PDMS слой на верхней части устройства.
3. Установите электрические контакты подключения на держателе устройства и зафиксируйте винты держателя.
   Примечание: Убедитесь, что регулируемые по высоте штифты Pogo выровнены с электрическими контактными площадками.
4. Установите микрожидкостных слой интерфейса с магнитными защелками держателю устройства (рис 4D). Подключите PTFE трубки с обоих входных отверстий и выходное отверстие. Подключение, одно впускное отверстие для образца нагруженных шприцевой насос и закрыть другую, а энтальпия измеряется не в этом случае.
5. Использование разработанного компьютерным управлением программы, чтобы загрузить образец в микро-канал и камер.
   Примечание: Программа будет использовать прекращен поток выпустить избыточное давление на тонкопленочных приостановлено камеры.
   1. Загрузите образец 300 мкл в стеклянном шприце и поместить его на шприцевой насос. Используйте очень медленные (0,25 мкл / мин) постоянные скорости потока для высоких образцов вязкости (например, глицерин и ионных жидкостей). Используйте глицерин образец для измерений температуропроводности и ионных жидкостей для измерений теплоемкости.
6. Измерения
   1. Измерения температуропроводности
      1. Подключите установку измерений, как показано на рисунке 5А. Загрузите глицерин образец для микро-калориметра камеры. Запустите измененный компьютерным управлением программы слух т проникновения измерение времени.
      2. Используйте калиброванный уравнение притока тепла для расчета температуропроводности с момента проникновения тепла измеренное ^7:
         
         где α это температуропроводности, L является толщина камеры, р калибровочный коэффициент толщина из-за изменения процесса изготовления, и т ₀ время проникновения тепла.
   2. Измерения теплоемкости
      1. Используйте настройки измерения TWA, как показано на рисунке 5B. Используйте ту же программу загрузки образца и загрузить ионной жидкости в камеру. Запустите программу TWA, чтобы получить амплитуду колебаний температуры переменного тока _(AC ∂ T) и использовать конкретные уравнения теплопроводности для расчета конкретных, C _P, тепла для каждой ионной жидкости образца ^8:
         28eq2.jpg "ширина =" 117 "/>
         где С ₀ входной коэффициент калибровки мощности, _Р является потребляемая мощность, ω является частотой сигнала срабатывания и м масса жидкого образца.

3. Биохимический Калориметрическое обнаружения в бумажных микрожидкостных устройств

1. Используйте микроизготовленном тонкая пленка (40-50 нм) никель датчик RTD. Изготовление шаги для датчика RTD объясняются в предыдущих работах ^4.
2. Для бумажной изготовления ⁴ канала, используйте нож, чтобы сократить плоттер бумагу микроканалов с проектной рисунком (L-формы). Положите бумагу на верхней части режущего коврик, загрузите бумагу и режущий мат нож плоттера, и использовать соответствующий рецепт, чтобы сократить микрожидкостных бумаги каналы ^4.
3. Для интеграции устройств и каналов, использовать акриловый клей слой (5 мкм), чтобы интегрировать бумаги на датчике RTD. Используйте чистую бобременял нажать бумагу в устройство и удалить пузырьки воздуха (рисунок 6а). Акриловая пленка Клеевой слой для удержания бумаги на датчике RTD.
4. Для активации фермента, используют 50 мМ натрий-ацетатного буфера, чтобы активировать фермент GOD. Добавить 1 мг фермента GOD к 1 мл буфера ацетата натрия, чтобы сделать 1 мг / мл раствора. Доводят рН раствора до 5,1.
   Примечание: Для регулировки количества уксусной кислоты в буфере ацетата натрия, чтобы поддерживать рН раствора 5,1.
5. Смещение RTD с 1 мА постоянного тока тока, чтобы активировать RTD и начать измерения сопротивления источника / измерителя непрерывно, пока сопротивление располагается после эксперимента (~ 4 мин).
   Примечание: 6В показана установка измерения для теста калориметрической бумажных документов.
6. Введем 2 мкл приготовленного раствора бог центре бумаги микро-канал (иммобилизация площадке, евро) через пипетку. Определенная температура (7А) должен начать тО уменьшаться.
   Примечание: Этот охлаждающий эффект за счет более высокой рабочей температуры от РТД и испарения образца вместе.
7. Для измерения концентрации глюкозы, вводить стандарт управления раствор глюкозы с ⁹ до входе в канал и измерять изменение сопротивления, вызванное реакцией. Повторите этот эксперимент со всеми различных решений управления глюкозы (высокий, нормальный, низких концентрациях) и сохраните данные сопротивления.
8. Использование температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для никеля RTD и уравнения Каллендара-Ван Dusen, преобразовать изменение сопротивления с температурой. Рассчитайте концентрацию глюкозы в каждом образце с учетом энтальпии реакции глюкозы и бог фермента (Δ Н = -80 кДж / моль) и используя уравнение концентрации ^10:
   
   где п _р обнаружен молярную концентрацию, C _{Р теплоемкость системы и & Delta; t рассчитывается температуры.}

Рисунок 3 показывает график измеренной тепловой сигнал. Сформированные сигналы в присутствии шариков с соответствующими оптических изображений показывают успешное обнаружение микросфер ПС бусин в микро-канал. Теплопроводность жидкости, проходящей через микро-канал меняется из-за присутствия гранул полистирола. Это изменение в теплопроводности канала влияет на теплопередачу в микро-канал. Изменение теплообмена в микро-канал обнаружен RTD в форме сопротивления колебания (Фиг.3А и В).

Обнаруженный сигнал также может влиять на изменение в локальной области потока (рис 3C и D), которые будут влиять на теплопередачу в канале. Изменение теплопроводности будет увеличивать температуру. Кроме того, локальные изменения скорости в микро-канал на основена сопоставимых размеров PS шарик размером канала, что приводит к увеличению местного теплообмена. В этом случае эффект от изменения в теплопередачи является доминирующим, как это появляется как уменьшение обнаруженного сопротивления. Таким образом, соответствие размеру канала с размером частиц имеет важное значение в ТПД эксперимента. Представленные результаты демонстрируют способность техники TPD рассчитывать и определять размер частиц.

Измеренное значение коэффициента температуропроводности глицерина 9,94 х 10 ^-8 м ² / сек, что находится в пределах 8% от теоретического значения. В таблице 1 показаны измеренные значения разных образцов ионной жидкости с введенным методом. Для проверки точности измерения, удельная теплоемкость воды измеряли, используя тот же метод с менее чем 5% ошибок.

Обнаруженный сигнал температуры за счет экзотермической реакции глюкозы и GOD показано на фиг.7А. ТОн реакцию область на разработанной микро-канала составляет 45% от общей площади. Для расчета концентрации, только эта часть глюкозы будут рассмотрены. Конечная скорость реакции окисления глюкозы, также рассматривается как фактор кинетики реакции. Сравнивая обнаруженная концентрация с доступных коммерческих результатов метра глюкозы (7В) показывает более высокую точность (<30%) в изготовленной устройства.

Рисунок 1. микрофлюидных устройство для обнаружения тепловой частиц. () Схематическое устройство. (Б) Кросс-разрез обнаружения частиц с использованием метода тепловой измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки для обнаружения теплового частиц (TPD). Управляется компьютером источника / метр используется для смещения RTD и измерьте сопротивление. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3. Результаты детектирования теплового частиц. (А) обнаружено изменение сопротивления, когда ПС шарик 90 мкм проходит датчик RTD с расходом 5 мкл / мин. Объяснил изменение теплопроводности будет увеличивать температуру и появляются в виде изменения сопротивления при измерении сопротивления RTD. (Б) оптическое изображениеже шарик на фиг.3А, проходящего через датчик. (С) обнаружено изменение сопротивления, когда ПС шарик 200 мкм проходит датчик RTD с расходом 5 мкл / мин. (D) оптическое изображение того же борта на фиг.3С прохождения Датчик. Эта цифра была изменена с разрешения ^[2]. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4. на-чипе изготовлены микро-калориметр и держатель устройства. () Фотографию микромеханический 3-мерной приостановлено микро-калориметра устройства на чипе. Чип имеет два одинаковых камер, каждая из которых имеет два входа и один выход. (Б) SchematИЦ микромеханический микро-калориметра камеры. Микромеханического RTD показано на верхней поверхности изготовленного устройства. (С) микро-калориметра устройство помещается на держателе устройства. (D) В последней установки микро-калориметре с электрическими и микрожидкостных соединений. Результатом TWA используется для расчета теплоемкости. Эта цифра была изменена с разрешения ^[3]. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5. Электрические соединения измерительной установки тепловой с микро-калориметра устройства. () Установка для анализа теплового времени проникновения. Измеренное время проникновения тепла является использование д для расчета теплопроводности. (B) установка для термического анализа волн. Результат TWA используется для расчета тепловой мощности. Эта цифра была изменена с разрешения ^[3]. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6. (А) Схема устройства бумажной основе. (B) установка для бумажной обнаружения калориметрического глюкозы. В этой установке, LabVIEW-управляемый источник / м (Keithley 2600) используется для смещения RTD и измерения температуры одновременно. Измеренная температура и время стволовых будут сохранены в то время измеряется. В этом эксперименте Keithley 2600 используется для быстрого измерения.https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "цель =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7. Результаты обнаружения глюкозы с калориметрической датчика бумажной. () Выходной сигнал глюкозы и Бог ферментативной реакции. (В) Окончательные результаты обнаружения контрольных образцов глюкозы с бумажной устройства по сравнению с коммерческими результатами метра глюкозы. Эта цифра была повторно с разрешения ^[4]. "Приведенные данные" вычисляется концентрацию глюкозы в экспериментах обнаружения.

Таблица 1. измеряется теплоемкость ионных жидкостей с помощью TWA технику с на-чипе микро-калориметра. Эта таблица была изменена с разрешения из опубликованных данных ^[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.

Нет конфликта интересов объявлены.

Частичное финансовая поддержка для этой работы была предоставлена ​​Национальным научным фондом США через кооперативного исследовательского центра промышленность / университет по водным оборудования и Политика расположенный в Университете Висконсин-Милуоки (МИП-0968887) и Университета Маркетт (МИП-0968844). Мы благодарим Гленна М. Уокер, Woo-Jin Chang и Шанкар Радхакришнан за полезные обсуждения.