分析微流控器件中的热测量技术

摘要

本文介绍了微流控装置中进行热测量的三种实验方案。

摘要

热测量技术已广泛应用于多种领域，例如材料的热表征和化学反应检测。微加工技术能够降低所制备结构的热容，从而使得在微米和纳米尺度器件中进行高灵敏度热测量成为可能。将热测量技术与微流控器件相结合，可通过在单芯片上集成微型化系统，实现低样品消耗和缩短测量时间的多种分析测量。本文介绍了用于颗粒检测、材料表征和化学检测的热测量技术的操作流程。

引言

本文介绍了三种不同的微尺度热测量技术。这三种不同构型的微流控装置分别用于热颗粒检测（TPD）、热特性表征（热导率和比热容）以及化学反应和相互作用的量热检测。

热颗粒检测

在微流控装置中检测和计数颗粒物被广泛应用于环境、工业和生物学领域¹。热颗粒检测（TPD）是热测量技术在微流控装置中的一种新型应用²。利用传热方法根据颗粒大小对颗粒进行检测和计数，可降低系统的复杂性、成本和体积。而在其他方法中，通常需要使用复杂的光学系统或复杂的电学测量手段，以及先进的信号处理软件来实现颗粒检测。

使用微量热计对液体物质进行热表征

液体样品的热学表征是微流控器件中热测量的第二个应用。与传统的宏观量热法相比，进行微尺度量热分析可减少样品消耗，并通过提供更高的重复性来提高测量精度。使用片上微热量计器件测量导热系数和比热容的方法已在其他文献中报道³。微流控器件中用于导热系数测量的热渗透时间技术，以及用于比热容测量的热波分析（TWA）方法的详细步骤将在本实验方案部分进行描述。

基于纸质微流控装置的量热生物化学检测

热测量的另一个应用是在基于纸张的微流控系统中进行生....

方案

1. 热颗粒检测（TPD）

1. 采用标准半导体加工技术通过微加工制备带有薄膜氮化硅膜和集成温度传感器的微加工硅器件²。用去离子水（DI 水）冲洗所制备的器件。
   注意：热颗粒检测器微流控器件的制备方法已在先前发表的文献中说明²。
2. 为制备带有微通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，使用标准光刻工艺制作 SU8 模具⁵。
   注意：通道尺寸根据每种特定颗粒的尺寸进行设计。
   1. 按 10:1 的比例混合基础剂（30 ml）和固化剂（3 ml）制备 PDMS。将 PDMS 浇注到模具上，并通过短暂抽真空（5–10 分钟）去除气泡。
      注意：真空度对脱气过程并非关键参数，应持续抽真空直至混合 PDMS 中的气泡完全去除。
   2. 将模具置于加热板上（约 70 °C）加热 2 小时以固化 PDMS。然后小心剥离 PDMS，避免损坏模具。
      注意：真空度并非关键参数。
3. 使用手动打孔器，在一端为 PTFE 管打一个紧密的孔（1 mm）。在另一端使用较大的打孔器（2 mm）使 PDMS 形成储液池。在显微镜下将打孔后的微通道置于器件上方，并将 RTD 对准微通道中心（图 1A）。
4. 在电气接口处，将电气引脚连接至焊盘位置，并拧紧锁定螺丝。确保高度可调引脚（Pogo 引脚）正确接触....

结果

图3展示了测得的热信号曲线。在微珠存在的情况下生成的信号及其对应的光学图像表明，微通道中成功检测到了聚苯乙烯微球珠。由于聚苯乙烯微珠的存在，流经微通道的液体的热导率发生变化。该热导率的变化影响了微通道内的热传递过程。微通道内热传递的变化由RTD以电阻波动的形式检测到（图3A 和 B）。

检测到的信号还可能受到局部流场变化的影响（图3C 和 D），这将影响通道内的传热过程。热导率的变化会导致温度升高。此外，由于聚苯乙烯微球（PS bead）的尺寸与通道尺寸相当，微通道内的局部流速会发生改变，从而增强局部传热。在此情况下，传热变化的影响占主导地位，表现为检测电阻的降低。因此，在热谱法（TPD）实验中，通道尺寸与粒子尺寸的匹配至关重要。本研究结果表明，TPD技术具备对粒子进行计数并检测其尺寸的能力。

测得的甘油热扩散系数为 9.94 × 10^-8

讨论

本文介绍了微流控器件中不同的热测量技术及其相应的设置步骤。这些热测量方法，如热导率监测、热渗透时间、交流热波动幅度以及产生热量的幅度测量，可用于检测特定物质并研究不同的反应和相互作用。

热时间常数在上述热测量技术中起着关键作用。在微流控器件设计中，必须考虑热时间常数的优化。热时间常数取决于所制备器件的热质量和热导率，而这两者又与各组件的材料有关。采用薄膜材料和微加工技术可降低系统的热质量。通过使用悬置结构和高热导率材料，可以增强热导率，减少与周围环境之间的热耦合。此外，采用热隔离措施控制环境温度，对于避免测量干扰也至关重要。

在所述器件中，薄膜RTD可在较宽的温度范围内提供高灵敏度和线性温度测量。采用所述技术时，热噪声和电子测量噪声是限制分辨率的主要因素。

采用热测量方法的微流控设备能够在RTD线性测量范围内进行多种物理和化学测量。这些技术还可用于不同化学反应及生物样本反应与相互作用的检测，适用于即时检测应用和样本表征。所介绍的技术能够实现从组织水平到单细胞水平的测量。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚二甲基硅氧烷（PDMS）	Dow Corning	Sylgard 184
聚苯乙烯微球 - 90 μm	Corpuscular	100265
聚苯乙烯微球 - 200 μm	Corpusular	100271
甘油	SigmaAldrich	G5516
葡萄糖氧化酶（GOD enzyme）	SigmaAldrich	G7141
葡萄糖质控液 - 低值	Bayer contour	Low Control
葡萄糖质控液 - 正常值	Bayer contour	Normal Control
葡萄糖质控液 - 高值	Bayer contour	High Control
层析滤纸	Whatman	3001-845
玻璃	VWR	48393-106
丙烯酸薄膜	Nitto Denko	5600
玻璃注射器（1 ml）	Hamilton	1001
注射泵	New Era	NE-500
绘图切割机	Silhouette	portrait
电流前置放大器	Stanford Research	SR-570
示波器	Agilent	DSO 2420A
信号发生器	HP	HP3324A
锁相放大器	Stanford Research	SRS-830
源表 2400	Keithley	2400
源表 2600	Keithley	2436A