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化检测。纸张多孔结构中的毛细作用可输送液体，并避免微通道中气泡的产生问题。目前基于纸张的微流控装置中最常见的检测机制是光学或电化学技术。光学检测存在复杂度高、需要先进的图像处理软件对检测信号进行定量的局限性。电化学检测也受到限制，因为它仅适用于能产生活性副产物的反应。最近提出的量热型纸基生化传感器平台⁴结合了纸基微流控系统和无标记热检测机制的优势。本实验方案部分将介绍在纸基微流控平台上利用葡萄糖氧化酶（GOD）进行葡萄糖量热检测的具体步骤。

本文的目的是展示热测量技术在微流控器件中的应用能力。在接下来的部分中，将介绍器件制备、液体样品处理以及电阻温度检测器（RTD）传感器的激励与测量方法。

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）正确接触器件上的电极焊盘。
5. 在 1.5 ml 离心管中，将 10 µl 浓缩的聚苯乙烯（PS）微球溶液与 100 µl 去离子水混合稀释。
6. 为确保 PS 微球保持中性浮力，向去离子水中加入 2.7 µl 甘油（密度 1.26 g/cm³），使液体密度与聚苯乙烯（PS）微球密度（1.05 g/cm³）相匹配。
7. 将 PTFE 管一端连接至微通道，另一端连接至 1 ml 玻璃注射器。向玻璃注射器中加入 0.5 ml 去离子水。
   注意：通过选择合适尺寸的打孔器实现紧密连接，可避免管路泄漏。
8. 将装有去离子水的注射器安装在计算机控制的注射泵上。以 5–20 µl/min 的流速推动水流，使液体充满整个微通道直至储液池。
9. 向储液池中加入 10 µl 平衡后的微球溶液，并通过改变注射泵的流动方向将微球溶液引入微通道。
10. 开启 RTD，通过计算机控制的源表施加 1 mA 的直流电流，同时利用源表测量电阻并分类记录测量数据（图 2）。
    注意：实验过程中传感器持续偏置，因此温度将连续测量直至计数实验结束。RTD 传感器通过施加 100 µA 至 1 mA 范围内的直流电流实现电气偏置，以持续测量温度直至计数实验结束。选择合适的电流水平至关重要，因为噪声水平与检测信号幅度之间存在权衡。注射泵用于在微通道中产生流动。选择适当的流速进行 TPD 实验受限于测量速度，该速度取决于器件的热时间常数和电测量速度。热颗粒检测实验结果如 图 3 所示。
11. 使用开发的数据处理软件（LabVIEW）根据 Callendar–Van Dusen 方程⁶将测得的电阻数据转换为温度。

2. 使用微量热计对液体物质进行热学表征

1. 在此过程中，使用芯片上的量热仪设备（图 4A）³ 测量样品的热扩散率和比热容。
   注意：每个芯片上有 2 个微热量计腔室（图 4B）。每个腔室有两个入口和一个出口，且每个腔室均集成了加热器和 RTD 传感器。
2. 将微热量计设备放置在设备支架上（图 4C），使设备与支架接口对齐微流体的入口和出口。将 PDMS 密封层置于设备顶部。
3. 在设备支架上安装电气连接针脚，并锁紧支架螺丝。
   注意：确保高度可调的 Pogo 针脚与电气接触焊盘对齐。
4. 将带有磁性扣件的微流体接口层安装到设备支架上（图 4D）。将 PTFE 管连接至两个入口和一个出口。将其中一个入口连接至装载样品的注射泵，另一个入口封闭，因为本实验不测量焓变。
5. 使用开发的计算机控制程序将样品加载至微通道和腔室中。
   注意：该程序将采用间歇式流动，以释放薄膜悬空腔室上的过量压力。
   1. 将 300 µl 样品装入玻璃注射器，并将其安装在注射泵上。对于高粘度样品（例如，甘油和离子液体），使用极慢的恒定流速（0.25 µl/min）。热扩散率测量使用甘油样品，比热容测量使用离子液体样品。
6. 测量
   1. 热扩散率测量
      1. 按照 图 5A 所示连接测量装置。将甘油样品加载至微热量计腔室中。运行修改后的计算机控制程序，测量热渗透时间。
      2. 使用校准后的热渗透方程，根据测得的热渗透时间计算热扩散率⁷：
         
         其中 α 为热扩散率，L 为腔室厚度，p 为由于制造工艺变化引起的厚度校准因子，t₀ 为热渗透时间。
   2. 比热容测量
      1. 使用如 图 5B 所示的 TWA 测量装置。使用相同的样品加载程序，将离子液体加载至腔室中。运行 TWA 程序以获得交流温度波动的幅值（∂T_AC），并使用比热容方程计算每种离子液体样品的比热容 c_p⁸：
         
         其中 C₀ 为输入功率校准因子，P_in 为输入功率，ω 为驱动信号频率，m 为液体样品质量。

3. 基于纸质微流控装置的量热型生化检测

1. 使用微加工的薄膜（40–50 nm 镍）RTD 传感器。RTD 传感器的制备步骤在先前的研究中已有说明⁴。
2. 对于基于纸张的微流控通道制备⁴，使用刀片绘图仪按照设计的图案（L 形）切割纸基微流控通道。将纸张放置在切割垫上，将纸张和切割垫装入刀片绘图仪，并使用合适的参数切割微流控纸通道⁴。
3. 对于器件与通道的集成，使用丙烯酸粘合层（5 µm）将纸张集成到 RTD 传感器上。使用干净的刀片将纸张压向器件，并去除气泡（图 6A）。丙烯酸薄膜是一种粘合层，用于将纸张固定在 RTD 传感器上方。
4. 对于酶的活化，使用 50 mM 醋酸钠缓冲液活化 GOD 酶。将 1 mg GOD 酶加入 1 ml 醋酸钠缓冲液中，配制成 1 mg/ml 的溶液。将溶液的 pH 调节至 5.1。
   注意：通过调节醋酸钠缓冲液中醋酸的用量，维持溶液 pH 为 5.1。
5. 对 RTD 施加 1 mA 的直流电流偏置，以激活 RTD，并在实验后电阻趋于稳定期间（约 4 分钟），持续测量电阻源/表的读数。
   注意：图 6B 显示了基于纸张的量热测试的测量装置。
6. 通过移液器将 2 µl 配制好的 GOD 溶液引入纸基微通道中心（固定位点）。检测到的温度（图 7A）必须开始下降。
   注意：这种冷却效应是由于 RTD 的工作温度较高以及样品蒸发共同作用所致。
7. 为测量葡萄糖浓度，将标准葡萄糖对照溶液⁹引入通道入口，并测量反应引起的电阻变化。使用所有不同浓度的葡萄糖对照溶液（高、正常和低浓度）重复该实验，并保存电阻数据。
8. 利用镍 RTD 的电阻温度系数（TCR）和 Callendar–Van Dusen 方程，将电阻变化转换为温度。结合葡萄糖与 GOD 酶的反应焓（ΔH = -80 kJ/mol），并使用浓度计算公式¹⁰，计算每个样品中葡萄糖的浓度：
   
   其中 n_p 为检测到的摩尔浓度，C_p 为系统的热容，ΔT 为计算得到的温度。

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。

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