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Summary

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Abstract

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.

Introduction

三个不同的微观尺度的热测量技术呈现在这篇文章。微流体装置的三个不同的配置被用于热粒子检测（TPD），热特性（热导率和比热），和量热检测化学反应和相互作用。

热粒子探测

检测和计数在微流体装置的粒子被广泛用于环境，工业和生物应用^1。 TPD是热测量的在微流体装置²的新的应用中的一个。使用传热，用于检测和计数基于所述粒径的粒子降低了复杂性，成本和系统的大小。在其他方法中，复杂的光学或复杂的电气测量和先进的信号处理的软件用于检测颗粒。

热甜心液体物质cterization利用微热量计

液体样品的热特性是热计量的微流体装置的第二个应用程序。执行微尺度量热将降低样品消耗和通过提供更高的重复性相比于常规，散装量热方法提高精度。的程序使用芯片上的微量热设备的热导率和比热测量在别处³呈现。对于热导率测量的热渗透时间技术和热波分析（TWA）为在微流体装置的比热测量的细节在协议部分中描述。

量热生物化工检测纸张为基础的微流控设备

热测量的另一种应用是生化检测在纸基微流体。在毛细作用的纸的多孔结构承载的液体，避免了在微通道气泡引发问题。在纸基微流体装置中最常见的检测机制是光学或电化学技术。光学检测患有高复杂性和先进的图像处理软件的必要性量化检测到的信号。电化学检测也受到限制，因为它们只能被应用到产生活性的副产物的反应。最近推出的量热纸基生化传感器平台⁴取纸基微流体系统和无标记的热检测机构的优点。量热检测用葡萄糖氧化酶（GOD）酶在纸基微流体平台葡萄糖的程序都在协议部分。

本文的目的是展示在微流体装置的热测量技术的功能。该器件preparatioN，液体样品处理和电阻温度检测器（RTD）传感器激励和测量列于下一个章节。

Protocol

1.热粒子探测（TPD）

1. 用薄膜的氮化硅膜和集成温度传感器通过微加工制备微制造硅器件，使用标准的半导体加工技术^2。冲洗所制造的设备，用去离子（DI）水。
   注意:该制造方法的热粒子检测器的微流体装置在现有出版物²进行说明。
2. 以生产微通道聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底，创建使用标准光刻技术的模具SU8处理^5。
   注意:通道尺寸被设计为每个特定的颗粒的尺寸。
   1. 使PDMS通过混合10:1的比例碱（30毫升）和固化剂（3毫升）中。倒到模具中的PDMS和由短暂暴露到真空（5-10分钟）除去气泡。
      注:真空水平不是一个临界值，以脱气，并应继续进行，直到气体巴布文件被从混合PDMS完全去除。
   2. 放置在热板上（〜70℃）的模具2小时，以固化的PDMS。然后剥去PDMS非常小心，以免损坏模具。
      注:真空水平不是一个临界值。
3. 使用手动冲头，冲头紧孔（1毫米）的PTFE管的一端。使用大的冲头（2毫米）的另一端，使PDMS的贮存器。放置在设备顶部的冲孔微通道，在显微镜下，并对准热电阻在微通道（ 图1A）的中心。
4. 在电气接口，连接电销在接触垫仓和收紧锁紧螺钉。确保高度可调节销（Pogo的引脚）坐在该装置上的正确的电极垫。
5. 稀释10微升的浓的PS珠在100微升去离子水在1.5ml管中。
6. 为了保证PS珠保持中性浮力，加2.7微升甘油（1.26克/厘米^3），以DI水以匹配流体密度的聚苯乙烯（PS）珠密度（1.05克/厘米^3）。
7. PTFE管连接到所述通道的一端和另一端，以1毫升的玻璃注射器。填用0.5ml去离子水的玻璃注射器。
   注:通过选择合适的冲规模将避免漏管做紧身。
8. 将充满的注射器上的计算机控制的注射泵的DI水。推水（5-20​​微升/分钟）到通道以填充整个通道与流体一路到储存器。
9. 负载10微升均衡珠溶液的贮存器，并通过改变对注射泵的流动方向引入珠溶液的微通道。
10. 由偏置DC电流为1mA通过计算机控制的源/米而测量由源/米的电阻和排序所测量的数据（ 图2）打开的RTD。
    注:在实验过程中，传感器偏置;因此，该温度被连续地测量，直到计数实验结束。在RTD传感器通过施加直流电流范围为100微安到1毫安连续测量温度，直至计数实验结束电偏置。关键是要选择正确的电流电平，因为有噪声水平和检测到的信号幅度之间存在折衷。注射泵被用来产生在微通道的流动。选择一个适当的流动速率来执行TPD实验中限制到测量的速度。这个速度是设备和电气测量速度的热时间常数的函数。热粒子检测实验的结果示于图3。
11. 使用开发的数据处理软件（LabVIEW中），以使用的Callendar-凡杜森方程⁶所测量的电阻数据转换为温度。

2.热液体物质使用微热量计的表征

1. 在此过程中，使用芯片上量热装置（ 图^4A）3来测量热扩散系数和样品的比热。
   注:在每个死亡，还有2微热量计室（ 图4B）。每室有2个入口和一个出口。且每个腔室具​​有加热器和RTD传感器集成。
2. 将装置保持器（ 图4C）上的微量热设备。该装置对准到微流体的入口和出口与支架配件。放置在设备顶部的PDMS密封层。
3. 该装置保持器上安装的电连接销和锁定保持器螺钉。
   注:确保高度可调弹簧针与电接触垫对齐。
4. 安装有磁性闩锁到装置保持器（ 图4D）微流体界面层。连接PTFE铝管两者的入口和出口。一个入口连接到示例加载注射器泵并关闭另一个，作为焓没有在这种情况下进行测量。
5. 使用开发的计算机控制的程序中，以将样品加载到微通道和腔室。
   注意:程序将使用停产流以释放过大的压力的薄膜悬浮室。
   1. 的300微升样品加载到玻璃注射器，并将其放置在注射器泵。使用非常缓慢（0.25微升/分钟）恒定流速为高粘度样品（ 例如 ，甘油和离子液体）。使用热扩散系数的测量和离子液体比热测量甘油样品。
6. 测量
   1. 热扩散系数的测量
      1. 连接测量设置为如图5A所示。加载甘油样品到微热量计室。运行老天修改后的计算机控制程序牛逼穿透时间的测量。
      2. 使用校准的热穿透方程来计算测量热穿透时间⁷热扩散系数:
         
         其中，α是热扩散率，L是腔室的厚度，p是厚度校准因数由于制造工艺的变化，而​​t ₀是热渗透时间。
   2. 比热测量
      1. 使用TWA测量设置， 如图5B所示 。使用相同的样品装载程序并装入离子液体在腔室中。运行TWA程序来获得交流电的温度波动（∂Ť _交流 ）的振幅，并使用比热公式来计算特定， _中 c p，热每个离子液体样品^8:
         28eq2.jpg”WIDTH =”117″/>
         其中，C ₀是输入功率校准因数，P _在被输入功率，ω是致动信号的频率，而m是液体样品的质量。

3.量热生化检测纸基微流体装置

1. 使用微加工薄膜（40-50纳米镍）RTD传感器。制造步骤的RTD传感器在以前的作品中⁴解释。
2. 对于纸质通道制造^4，用小刀绘图仪切纸微流体通道与设计的图案（L形）。将打印纸在切割垫的顶部，装入纸张和切割垫刀绘图仪，并使用适当的配方来切断微流体纸张通道^4。
3. 对于设备和渠道整合，使用丙烯酸粘合剂层（5微米）到纸张上集成了RTD传感器。使用清洁提单拉德到纸张推送到设备和除去气泡（ 图6A）。丙烯酸类膜是粘接剂层，以保持纸在RTD传感器。
4. 酶的激活，使用50mM乙酸钠缓冲液以激活GOD酶。加入1毫克的GOD酶到1ml的醋酸钠缓冲液以使1mg / ml的溶液。调节溶液的pH至5.1。
   注意:调节在乙酸钠缓冲液的乙酸的量，以保持溶液5.1的PH值。
5. 偏置RTD直流毫安1电流激活RTD，然后开始连续测量电阻源/米，而阻实验（〜4分钟）后稳定下来。
   注: 图6B显示测量设置的基于纸张的测试量热。
6. 引入2微升制备GOD溶液到纸张微通道（固定点）经由吸移管的中心。检测到的温度（ 图7A）必须启动吨Ø减少。
   注意:此冷却效果是由于RTD的更高的工作温度的样本的和蒸发一起。
7. 为了测量葡萄糖浓度，引入标准葡萄糖对照溶液⁹至通道入口和测量所引起的反应电阻变化。重复这个实验的所有不同的血糖控制解决方案（高，普通，低浓度），并保存电阻数据。
8. 使用电阻（TCR）的镍RTD和的Callendar-凡杜森方程的温度系数，转换所述电阻变化对温度。通过考虑葡萄糖的反应焓和GOD酶（ΔH = -80千焦耳/摩尔），并使用浓度方程¹⁰计算每个样品中的葡萄糖的浓度:
   
   其中n _p被检测摩尔浓度，C <sub> p是该系统的热容量和ΔT计算温度。

Representative Results

Discussion

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.

Materials

Polydimethylsiloxane (PDMS) 	Dow Corning	Sylgard 184
PS beads – 90 μm	Corpuscular	100265
PS beads – 200 μm	Corpuscular	100271
Glycerol	SigmaAldrich	G5516
GOD enzyme	SigmaAldrich	G7141
Glucose Control Solution – Low	Bayer contour	Low Control
Glucose Control Solution – Normal	Bayer contour	Normal Control
Glucose Control Solution – High	Bayer contour	High Control
Chromatography filter paper	Whatman	3001-845
Glass	VWR 	48393-106
Acrylic Film	Nitto Denko	5600
Glass syringe (1 ml)	Hamilton	1001
Syringe pump	New Era	NE-500
knife plotter	Silhouette	portrait
Current Preamplifier	Stanford Research	SR-570
Ocilloscope	Agilent	DSO 2420A
Signal Generator	HP	HP3324A
Lock-in Amplifire	Stanford Research	SRS-830
Source/meter 2400	Keithley	2400
Source/meter 2600	Keithley	2436A