分析微流控器件中的热测量技术

以下实验的总体目标是在微流控装置中进行热测量，以实现高灵敏度检测。将使用三种不同的制备微流控装置，来展示分析型微流控装置中的不同热测量技术。第二步，将基于电阻的温度检测器与装置耦合，并将整个系统连接至计算机。

接下来，将样品加载到装置中，并由控制器激活热检测。结果显示了微流控装置中热测量的扩展检测能力。与现有的比色法和电化学检测等方法相比，该技术的主要优势在于，在扩展检测范围的同时，降低了测量的复杂性。

首先，采用 Vota 等人所述的技术，通过微加工制备集成有温度传感器的薄层氮化硅薄膜。用去离子水冲洗完成的器件，并使用氮气干燥器件。接下来，采用先前发表的技术制备带有微通道的 SU-8 模具，根据待检测颗粒尺寸的范围调整微通道的长度和宽度。

将30毫升基础剂与3毫升固化剂混合以制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）。混合后，通过真空处理5至10分钟去除其中气泡。然后将PDMS倒入模具中。

然后将模具置于70摄氏度的加热板上加热两小时。固化后，小心地剥离PDMS，以免损坏微通道。使用手动打孔器在微通道一端打一个直径为1毫米的孔，用于连接PTFE管。

在另一端使用直径为2毫米的打孔器制作储液池。接着，将打孔后的微通道置于装置顶部，并借助显微镜在电接口处将基于电阻的温度检测器与微通道中心对齐。将电极引脚连接至焊盘位置，并拧紧固定螺钉。

确保高度可调的定位销位于器件上正确的电极焊盘位置。接下来，通过将聚苯乙烯微球稀释至去离子水中（1:10）来制备，具体操作为在1.5毫升离心管中加入100微升去离子水。为确保聚苯乙烯微球保持中性浮力，向混合液中加入2.7微升甘油，并通过移液上下吹打混匀。

用1毫升玻璃注射器吸取0.5毫升去离子水。将玻璃注射器连接至聚四氟乙烯（PTFE）管的一端，并将管的另一端连接至微流控通道。将装有去离子水的注射器置于计算机控制的注射泵上，并将流速设定在每分钟5至20微升之间。

将流体充满整个通道，直至储液池。接着，向储液池中加入10微升平衡好的微珠溶液，并通过改变注射泵的流动方向，将微珠溶液引入微通道。最后，通过计算机控制的仪表施加1毫安的直流偏置电流，开启基于电阻的温度检测器，同时测量电阻并分类记录测量数据。

首先，按照其他文献所述方法制备芯片式量热计装置和微流控层。通过将微热量计装置放入装置 holder 中，并将其与 PDMS 密封层的微流控入口、出口以及 holder 配件对齐，完成装置的组装。接着，安装 device holder 上的电连接针，并拧紧 holder 螺丝固定。

然后将聚四氟乙烯管连接到两个入口和出口。将其中一个入口连接至装有样品的注射泵，另一个入口封闭，因为本实验不测量焓变。接着，将300微升样品装入玻璃注射器中，并将其安装到注射泵上。

对于高粘度样品（如甘油和离子液体）的热扩散率测量，应使用非常缓慢且恒定的流速。连接测量装置，如下图所示。

将甘油样品装入微量量热仪腔室，并运行经修改的计算机控制程序，用于测量热渗透时间。使用此处所示的已校准热渗透方程，根据测得的热渗透时间计算热扩散系数。

进行比热测量时，使用此处所示的热波分析测量装置。此次将离子液体装入腔室，并使用相同的样品加载程序。运行热波分析程序，获取交流温度波动的幅度，并计算每种离子液体样品的比热。

该过程在其他地方已有更详细的描述。对于量热检测，按照先前所述方法，微加工制备一层40至50纳米厚的镍薄膜电阻温度检测器。接着，使用刀具绘图仪切割L形纸张。

微流控通道的长臂宽3毫米、长10毫米，短臂长3毫米。使用洁净的镊子将一层5微米厚的双面丙烯酸胶粘剂添加到传感器上，然后将纸质通道置于其上。使用洁净的刀片将纸张推压至装置上，并去除所有气泡。

将一毫克葡萄糖氧化酶加入一毫升醋酸钠缓冲液中。为配制一毫克每毫升的溶液，必要时用醋酸钠缓冲液将溶液 pH 值调节至 5.1。接着，用一毫安直流电流对电阻温度检测器施加偏置。

为了激活检测器并开始连续测量电阻，将2 µL制备好的葡萄糖氧化酶溶液加入纸微通道的启动位点中心。检测到的温度将开始下降；为测定葡萄糖浓度，将葡萄糖标准品加入通道入口，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重复该实验，并保存电阻数据。

最后，利用随附文本方案及其他资料中列出的公式，将电阻变化转换为葡萄糖浓度。此处所示的聚苯乙烯微珠以每分钟五微升的流速通过电阻温度检测器。当微珠经过传感器时，电阻会出现轻微尖峰，可根据此变化检测颗粒的大小。

此处显示了一种基于纸张的量热传感器的典型输出结果。一旦加入葡萄糖氧化酶，温度便开始迅速下降，直至酶与葡萄糖溶液接触。此时发生反应，温度出现急剧上升，随后再次开始降温。

这种温度变化可以转化为葡萄糖浓度，从而准确测量样本容器中的葡萄糖水平。在进行该操作时，需牢记设备的设计与结构在热测量中起着关键作用。相关的参考文献中已对热学参数、热质量、终端电阻以及传感器参数进行了详细描述。