تقنيات القياس الحرارية في تحليلي الأجهزة ميكروفلويديك

Benyamin Davaji; Chung Hoon Lee

doi:10.3791/52828

مقالة منهجية

تقنيات القياس الحرارية في تحليلي الأجهزة ميكروفلويديك

DOI:

10.3791/52828

⸱

يونيو 3, 2015

Benyamin Davaji¹ , Chung Hoon Lee¹

¹Nanoscale Devices Laboratory, Marquette University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم ثلاثة بروتوكولات للقياسات الحرارية في أجهزة الموائع الدقيقة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استخدام تقنيات القياس الحراري

في العديد من التطبيقات مثل التوصيف الحراري للمواد والكشف عن التفاعل الكيميائي. تسمح تقنيات التصنيع الدقيق بتقليل الكتلة الحرارية للهياكل المصنعة وتوفر إمكانية إجراء قياسات حرارية عالية الحساسية في الأجهزة ذات الحجم الصغير والنانوي. يسمح الجمع بين تقنيات القياس الحراري وأجهزة الموائع الدقيقة بإجراء قياسات تحليلية مختلفة مع استهلاك منخفض للعينة وتقليل وقت القياس من خلال دمج النظام المصغر على شريحة واحدة. يتم تقديم إجراءات تقنيات القياس الحراري للكشف عن الجسيمات وتوصيف المواد والكشف الكيميائي في هذه الورقة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم عرض ثلاث تقنيات القياس الحرارية الصغيرة الحجم مختلفة في هذه المقالة. وتستخدم تكوينات مختلفة ثلاثة من الأجهزة ميكروفلويديك للكشف الحراري الجسيمات (طن يوميا)، وتوصيف الحراري (التوصيل الحراري والحرارة النوعية)، والكشف عن المسعر من التفاعلات الكيميائية والتفاعلات.

الحراري كشف الجسيمات

ويستخدم على نطاق واسع كشف والعد الجسيمات في أجهزة ميكروفلويديك في التطبيقات البيئية والصناعية والبيولوجية ^1. TPD هي واحدة من تطبيقات جديدة من القياسات الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك ^2. عن طريق نقل الحرارة للكشف عن والعد الجسيمات على أساس حجم الجسيمات يقلل من التعقيد والتكلفة وحجم النظام. في أساليب أخرى، والبصريات المعقدة أو مقاييس الكهربائية المعقدة والمتقدمة برامج معالجة إشارة تستخدم للكشف عن الجسيمات.

شارا الحراريcterization من المواد السائلة عن طريق مايكرو قياس السعرات الحرارية

توصيف الحرارية عينة السائل هو التطبيق الثاني من القياس الحراري في أجهزة ميكروفلويديك. سوف يؤدون الصغيرة الحجم الكالوري تقليل استهلاك عينة وزيادة الدقة من خلال تقديم أعلى التكرار بالمقارنة مع التقليدية وأساليب الكالوري السائبة. وتعرض إجراءات التوصيل الحراري وقياس الحرارة معين باستخدام الجهاز الصغير المسعر على رقاقة في أي مكان آخر ^3. ووصف تفاصيل تقنية الوقت اختراق الحرارة لقياس الموصلية الحرارية وتحليل الموجة الحرارية (TWA) لقياس الحرارة النوعية في أجهزة ميكروفلويديك في قسم البروتوكول.

المسعرية الحيوية الكيميائية كشف في ورقة القائم على جهاز ميكروفلويديك

تطبيق آخر لقياس الحراري هو الكشف عن والكيمياء الحيوية في microfluidics الورقية. عمل شعري فيبنية مسامية من الورق يحمل السائل والابتعاد عن مشاكل بدء فقاعة في القنوات الصغيرة. آليات الكشف الأكثر شيوعا في أجهزة الورقية ميكروفلويديك هي التقنيات البصرية أو كهروكيميائية. كشف بصري يعاني من التعقيد وضرورة متقدمة برامج معالجة الصور لتكمم إشارة الكشف عنها. تقتصر المكتشفة الكهروكيميائية أيضا لأنها لا يمكن تطبيقها على ردود الفعل التي تنتج مشتقات نشطة. أدخلت مؤخرا الورقية المسعرية استشعار الكيمياء الحيوية منصة ⁴ يستفيد من نظام ميكروفلويديك الورقية وآلية الكشف الحرارية خالية من التسمية. وتعرض إجراءات الكشف عن المسعر من الجلوكوز باستخدام أوكسيديز الجلوكوز (GOD) انزيم في منصة الورقية ميكروفلويديك في قسم البروتوكول.

الهدف من هذه الورقة هو للتدليل على قدرات تقنيات القياس الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك. ومحضرات الجهازن، يتم عرض عينة السائل كشف المناولة ومقاومة درجات الحرارة (RTD) الإثارة أجهزة الاستشعار والقياس في المقاطع التالية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الحراري كشف الجسيمات (طن يوميا)

تحضير الجهاز السيليكون ملفقة الصغير مع الأغشية الرقيقة نيتريد السيليكون الغشاء واستشعار درجة الحرارة متكامل من قبل متناهي الصغر، وذلك باستخدام أشباه الموصلات القياسية تكنولوجيا معالجة ^2. شطف الجهاز ملفقة مع منزوع الأيونات (DI) المياه.
ملاحظة: يتم شرح طريقة التصنيع للكشف عن الجسيمات الحرارية جهاز ميكروفلويديك في نشرها قبل ^2.
لإنتاج polydimethylsiloxane (PDMS) ركائز مع القنوات الصغيرة، إنشاء قالب SU8 باستخدام الطباعة الحجرية القياسية بمعالجة ^5.
ملاحظة: تم تصميم حجم القناة عن البعد كل جسيم معين ل.
1. جعل PDMS عن طريق خلط 10: 1 نسبة من قاعدة (30 مل) وكيل علاج (3 مل). صب PDMS إلى العفن وإزالة الفقاعات من خلال تعريض لفترة وجيزة على فراغ (5-10 دقيقة).
  ملاحظة: مستوى الفراغ ليس القيمة الحرجة لdegasification ويجب أن تستمر حتى bubb الغازتتم إزالة ليه تماما من PDMS مختلطة.
2. وضع القالب على موقد (~ 70 درجة مئوية) لمدة 2 ساعة لعلاج PDMS. ثم انزع PDMS بعناية فائقة حتى لا تتلف القالب.
  ملاحظة: مستوى فراغ ليست قيمة حرجة.
باستخدام لكمة اليدوي، لكمة ثقب ضيق (1 مم) لأنبوب PTFE في نهاية واحدة. استخدام لكمة كبيرة (2 ملم) في الطرف الآخر لجعل PDMS الخزان. وضع كمات القنوات الصغيرة على رأس الجهاز تحت المجهر ومحاذاة RTD في مركز للقناة الصغيرة (الشكل 1A).
في واجهة الكهربائية، وربط المسامير الكهربائية في مواقف وحة الاتصال وتشديد الخناق القفل. تأكد من دبابيس ارتفاع قابل للتعديل (دبابيس بوجو) الجلوس في منصات قطب كهربائي الصحيحة على الجهاز.
تمييع 10 ميكرولتر من الخرز PS المركزة في 100 ميكرولتر من المياه DI في أنبوب 1.5 مل.
لضمان PS لا تزال حبات مزدهرة بشكل محايد، إضافة 2.7 ميكرولتر من الجلسرين (1.26جم / سم ³⁾ على مياه DI لتتناسب مع كثافة السوائل إلى البوليسترين (PS) كثافة حبة (1.05 جم / سم ^3).
توصيل أنبوب PTFE إلى القناة في نهاية واحدة والطرف الآخر إلى كوب 1 مل حقنة. ملء حقنة زجاجية مع 0.5 مل من الماء DI.
ملاحظة: ضيقة مصنوعة عن طريق تحديد الحجم الصحيح لكمة سوف تجنب تسرب في أنابيب.
وضع المياه DI شغل حقنة على ضخ حقنة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. دفع الماء (5-20 ميكرولتر / دقيقة) في القناة لملء القناة بأكملها مع السائل على طول الطريق إلى الخزان.
تحميل 10 ميكرولتر من محلول حبة متوازن إلى الخزان وإدخال حل حبة لقناة الصغرى عن طريق تغيير اتجاه تدفق على ضخ حقنة.
بدوره على RTD التي يتحامل 1 مللي أمبير من التيار المستمر من خلال الكمبيوتر التي تسيطر عليها المصدر / متر بينما قياس المقاومة المصدر / متر وفرز البيانات المقاسة (الشكل 2).
ملاحظة: أثناء التجربة، واستشعار منحازة؛ وبالتالي، يتم قياس درجة الحرارة بشكل مستمر حتى نهاية التجربة العد. منحازة للاستشعار RTD كهربائيا من خلال تطبيق العاصمة الحالية في مجموعة من 100 أمبير إلى 1 مللي أمبير لقياس مستمر لدرجات الحرارة حتى نهاية التجربة العد. فمن الأهمية بمكان لتحديد المستوى الحالي الصحيح أنه ليس هناك مفاضلة بين مستوى الضوضاء والسعة إشارة الكشف عنها. يستخدم ضخ حقنة لتوليد التدفق في قناة الصغرى. اختيار معدل التدفق المناسب لإجراء التجربة TPD غير محدود لسرعة القياس. هذه السرعة هي وظيفة من ثابت الوقت الحراري للجهاز والكهربائية سرعة القياس. وأظهرت نتائج التجربة الحرارية كشف الجسيمات في الشكل (3).
استخدام ضعت برامج معالجة البيانات (ابفيف) لتحويل بيانات المقاومة قياس لدرجة الحرارة باستخدام المعادلة كالاندار-فان دوسين ^6.

2. الحراريةتوصيف المواد السائلة باستخدام مايكرو-المسعر

في هذه العملية، استخدم جهاز المسعر على رقاقة (الشكل 4A) ³ لقياس انتشارية الحراري والحرارة النوعية من العينات.
ملاحظة: على كل يموت، وهناك 2 غرف الصغرى المسعر (الشكل 4B). كل غرفة لديها 2 مداخل ومخرج واحد. وكل غرفة لديها سخان وجهاز استشعار RTD متكاملة.
وضع الجهاز الصغير المسعر على حامل الجهاز (الشكل 4C). محاذاة الجهاز إلى مداخل ومنافذ ميكروفلويديك مع التجهيزات حامل. وضع طبقة ختم PDMS على رأس الجهاز.
تثبيت المسامير الربط الكهربائي على حامل الجهاز وقفل مسامير حامل.
ملاحظة: تأكد من محاذاة دبابيس بوجو-ارتفاع قابل للتعديل مع منصات الاتصال الكهربائية.
تثبيت طبقة واجهة ميكروفلويديك مع المزالج المغناطيسي لصاحب الجهاز (الشكل 4D). ربط PTFE أنابيب إلى كل مداخل ومخرج. ربط مدخل واحد إلى تحميل عينة ضخ حقنة وإغلاق الآخر، كما لا يقاس المحتوى الحراري في هذه الحالة.
استخدام برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها وضعت لتحميل عينة في القناة الصغرى وغرف.
ملاحظة: سوف يستخدم البرنامج تدفق قفها لاطلاق سراح الضغط المفرط على غرفة مع وقف التنفيذ الأغشية الرقيقة.
1. تحميل العينة 300 ميكرولتر في حقنة زجاجية ووضعه على ضخ حقنة. استخدام بطيئة جدا (0.25 ميكرولتر / دقيقة) معدلات التدفق المستمر للعينات عالية اللزوجة (على سبيل المثال، الجلسرين والسوائل الأيونية). استخدام عينة الجلسرين لقياس الانتشارية الحرارية والسوائل الأيونية لقياس الحرارة النوعية.
القياسات
1. قياسات انتشارية الحرارية
  1. ربط الإعداد القياسات كما هو مبين في الشكل 5A. تحميل عينة الجلسرين إلى غرفة صغيرة المسعر. قم بتشغيل برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها تعديل لهيئة التعليم العالي ر اختراق قياس الوقت.
  2. استخدام المعادلة اختراق الحرارة معايرة لحساب انتشارية الحرارية من الحرارة المقاسة الوقت اختراق ^7:
    
    حيث α هو انتشارية الحراري، L هو سمك الغرفة، ص هو العامل سمك المعايرة نظرا لاختلاف عملية التصنيع، ور ₀ آن الأوان اختراق الحرارة.
2. قياسات الحرارة النوعية
  1. استخدام الإعداد قياس TWA كما هو مبين في الشكل 5B. استخدام نفس البرنامج عينة التحميل وتحميل السائل الأيونية في الغرفة. تشغيل البرنامج TWA للحصول على السعة من التقلبات في درجات الحرارة AC (∂ T _AC) واستخدام معادلة الحرارة النوعية لحساب محددة، ج _ص، الحرارة لكل عينة السائل الأيونية ^8:
    28eq2.jpg "العرض =" 117 "/>
    حيث C ₀ يتم إدخال عامل المعايرة السلطة، P _في غير مدخلات الطاقة، ω هو التردد للإشارة يشتغل، و m هو كتلة من عينة السائل.

3. المسعرية كشف الكيمياء الحيوية في الورقية جهاز ميكروفلويديك

استخدام microfabricated رقيقة (40-50 نانومتر النيكل) استشعار RTD. وأوضح الخطوات تلفيق للاستشعار RTD في الأعمال السابقة ^4.
لالورقية قناة تلفيق ^4، استخدام راسمة سكين لقطع ورقة قنوات ميكروفلويديك مع نمط تصميم (L-الشكل). وضع ورقة على رأس حصيرة القطع، تحميل ورقة وحصيرة قطع الراسمة لسكين، واستخدام وصفة مناسبة لقطع قنوات رقة الموائع الدقيقة ^4.
للجهاز وقناة التكامل، استخدم طبقة لاصقة الاكريليك (5 ميكرون) لدمج ورقة على استشعار RTD. استخدام ب نظيفةجمعية لدفع الصحيفة إلى الجهاز وإزالة فقاعات الهواء (الشكل 6A). الفيلم الاكريليك هو طبقة لاصقة لعقد ورقة على استشعار RTD.
لتنشيط انزيم، استخدم 50 ملي العازلة خلات الصوديوم لتنشيط انزيم الله. إضافة 1 ملغ من انزيم GOD إلى 1 مل من الصوديوم العازلة خلات لجعل 1 ملغ / مل حل. ضبط درجة الحموضة من الحل إلى 5.1.
ملاحظة: ضبط كمية من حمض الخليك في المنطقة العازلة خلات الصوديوم للحفاظ على PH من حل 5.1.
انحياز RTD مع 1 أمبير من العاصمة الحالية لتفعيل الحق في التنمية والبدء في قياس مصدر المقاومة / متر متواصلة بينما المقاومة يستقر بعد التجربة (~ 4 دقائق).
ملاحظة: يبين الشكل 6B الإعداد قياس لاختبار مقياس الكالوري الورقية.
يعرض ميكرولتر 2 من الحل أعده الله للمركز من ورقة الصغرى قناة (موقع الشلل) عن طريق ماصة. درجة الحرارة الكشف عن (الشكل 7A) يجب أن يبدأ رس الانخفاض.
ملاحظة: هذا تأثير التبريد ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة تشغيل RTD والتبخر من العينة معا.
لقياس تركيز السكر، وإدخال السيطرة على مستويات الجلوكوز القياسية حل ⁹ إلى مدخل القناة وقياس التغير المقاومة الناجمة عن رد الفعل. تكرار هذه التجربة مع جميع الحلول السيطرة على مستويات الجلوكوز مختلفة (عالية، عادية وتركيزات منخفضة) وحفظ البيانات المقاومة.
باستخدام معامل درجة الحرارة المقاومة (TCR) لRTD النيكل وكالاندار-فان دوسين المعادلة، وتحويل التغيير المقاومة لدرجة الحرارة. حساب تركيز الغلوكوز في كل عينة من خلال النظر في المحتوى الحراري رد فعل الجلوكوز والانزيم الله (Δ H = -80 كج / مول) وباستخدام معادلة تركيز ^10:

حيث تم الكشف عن ن _ص التركيز المولي، C _{ΔT درجة الحرارة.}

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويبين الشكل 3 مؤامرة من إشارة الحرارية قياس. الإشارات ولدت في وجود حبات مع الصور الضوئية المقابلة تظهر الكشف الناجح من الخرز microsphere PS في القناة الصغيرة. الموصلية الحرارية من السائل يمر من خلال القناة الدقيقة يتغير بسبب وجود من الخرز PS. هذا التغيير في التوصيل الحراري للقناة يؤثر على نقل الحرارة في القناة الصغيرة. تم الكشف عن التغير في نقل الحرارة في القناة الصغيرة التي RTD في شكل مقاومة التقلبات (3A الشكل وB).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم عرض تقنيات القياس الحراري المختلفة في أجهزة الموائع الدقيقة وإجراءات الإعداد الخاصة بها في هذا العمل. تستخدم طرق القياس الحراري هذه مثل مراقبة التوصيل الحراري ، ووقت الاختراق الحراري ، وسعة التقلبات الحرارية للتيار المتردد ، وقياس السعة للحرارة المتولدة للكشف عن مواد معينة والتحقيق في التفاعلات والتفاعلات المختلفة.

يلعب ثابت الوقت الحراري دورا رئيسيا في تقنيات القياس الحراري المذكورة أعلاه. في تصميم جهاز الموائع الدقيقة ، يجب مراعاة تحسين ثوابت الوقت الحراري. ثابت الوقت الحراري هو دالة لل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أعلنت أي تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقدم الدعم المالي الجزئي لهذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية من خلال مركز البحوث التعاونية الصناعة / جامعة على معدات المياه والسياسات التي تقع في جامعة ويسكونسن ميلووكي (IIP-0968887) وجامعة ماركيت (IIP-0968844). نشكر غلين م. ووكر، وو جين تشانغ وشانكار راداكريشنان لإجراء مناقشات مفيدة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) ؛	داو كورنينج	سيلجارد 184
حبة PS - 90 &# 956 ؛ م	100265		الجسدي
- 200 &# 956 ؛ م		100271
الجلسرين	سيجماألدريتش	G5516
إنزيم GOD	SigmaAldrich	G7141
محلول التحكم في الجلوكوز -		كونتور
-	للتحكم	كونتور باير
في الجلوكوز - كونتور باير		ورق
	التحكم Whatman	3001-845
Glass	VWR & nbsp ؛	48393-106
فيلم أكريليك	Nitto Denko	5600
حقنة زجاجية (1 مل)	حقنة هاميلتون	1001
	عصر جديد	NE-500
سكين راسمة	ظلية	مضخم
الصوت الحالي	Stanford Research	SR-570
Ocilloscope	Agilent	DSO 2420A
مولد إشارة	HP	HP3324A
قفل مضخم الصوت	ستانفورد للأبحاث	SRS-830
المصدر / متر 2400	كيثلي	2400
المصدر / متر 2600	كيثلي	2436A

الخرز PS الجسم حل التحكم في الجلوكوز منخفض باير محيط باير الطبيعي في الجلوكوز - الطبيعي للتحكم العالي ترشيح كروماتوغرافيا عالي مضخة صورة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. Methods for counting particles in microfluidic applications. Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).
Vutha, A. K., Davaji, B., Lee, C. H., Walker, G. M. A microfluidic device for thermal particle detection. Microfluid Nanofluid. 17 (5), 871-878 (2014).
Davaji, B., Bak, H. J., Chang, W. J., Lee, C. H. A Novel On-chip Three-dimensional Micromachined Calorimeter with Fully Enclosed and Suspended Thin-film Chamber for Thermal Characterization of Liquid Samples. Biomicrofluidics. 8 (3), 034101-034113 (2014).
Davaji, B., Lee, C. H. A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing. Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).
Liu, J., et al. Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist. Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).
Dusen, M. S. V. Platinum-resistance thermometry at low temperatures. J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).
Arpaci, V. S. Conduction Heat Transfer. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, MA. (1966).
Garden, J. L., Chteau, E., Chaussy, J. Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples. Appl. Phys. Lett. 84, 3597-3599 (2004).
Kilo, C., et al. Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration. Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).
Scheper, T. Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology). , Springer-Verlag. (1999).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

تقنيات القياس الحرارية في تحليلي الأجهزة ميكروفلويديك

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة