Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, thermische Messungen für die empfindliche Detektion in mikrofluidischen Bauelementen durchzuführen. Drei verschiedene hergestellte mikrofluidische Geräte werden verwendet, um unterschiedliche thermische Messtechniken in analytischen mikrofluidischen Geräten zu demonstrieren. In einem zweiten Schritt werden widerstandsbasierte Temperaturdetektoren an die Geräte gekoppelt und das Setup mit einem Computer verbunden.

Als nächstes werden die Proben in die Geräte geladen und die thermische Erkennung wird durch den Controller aktiviert. Die Ergebnisse zeigen die erweiterten Detektionsmöglichkeiten der thermischen Messung in mikrofluidischen Geräten. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie cholemetrischen und elektrochemischen Detektionen besteht darin, dass diese Technik die Komplexität der Messung reduziert und gleichzeitig den Nachweisbereich erweitert.

Beginnen Sie mit der Mikrofabrikation einer Dünnschicht-Siliziumnitrid-Membran mit integriertem Temperatursensor unter Verwendung der von vota et al. beschriebenen Technik. Spülen Sie das fertige Gerät mit deionisiertem Wasser und trocknen Sie das Gerät mit Stickstoffgas. Stellen Sie als Nächstes eine SU-Acht-Form mit Mikrokanälen unter Verwendung einer zuvor veröffentlichten Technik her und passen Sie die Länge und Breite der Mikrokanäle an den Bereich der zu detektierenden Partikelgrößen an.

Stellen Sie das PDMS her, indem Sie 30 Milliliter der Base mit drei Millilitern des Härters mischen. Entfernen Sie nach dem Mischen alle Blasen, indem Sie es fünf bis 10 Minuten lang einem Vakuum aussetzen. Gießen Sie dann das PDMS auf die Form.

Stellen Sie die Form dann für zwei Stunden bei 70 Grad Celsius auf eine heiße Platte. Ziehen Sie das PDMS nach dem Aushärten sehr vorsichtig ab, um die Mikrokanäle nicht zu beschädigen. Stanzen Sie mit einem manuellen Stanzen an einem Ende des Mikrokanals ein ein Millimeter großes Loch für den PTFE-Schlauch.

Verwenden Sie einen zwei Millimeter großen Stempel am anderen Ende, um ein Reservoir herzustellen. Platzieren Sie anschließend den gestanzten Mikrokanal auf dem Gerät und richten Sie den widerstandsbasierten Temperaturdetektor mit Hilfe eines Mikroskops in der elektrischen Schnittstelle in der Mitte des Mikrokanals aus. Verbinden Sie die elektrischen Stifte an den Positionen der Kontaktpads und ziehen Sie die Feststellschrauben fest.

Stellen Sie sicher, dass die höhenverstellbaren Stifte an den richtigen Elektrodenpads am Gerät sitzen. Bereiten Sie als Nächstes die Styroporkügelchen vor, indem Sie sie in einem 1,5-Milliliter-Röhrchen von einem bis 100 Mikroliter DI-Wasser verdünnen. Um sicherzustellen, dass die PS-Kügelchen neutral schwimmfähig bleiben, geben Sie 2,7 Mikroliter Glycerin an die Mischung und mischen Sie sie durch Auf- und Abpipettieren.

Füllen Sie eine Ein-Milliliter-Glasspritze mit 0,5 Millilitern DI-Wasser. Verbinden Sie die Glasspritze mit einem Ende des PTFE-Schlauchs und befestigen Sie das andere Ende des Schlauchs mit dem mikrofluidischen Kanal. Legen Sie die mit DI-Wasser gefüllte Spritze auf eine computergesteuerte Spritzenpumpe und stellen Sie die Durchflussmenge auf fünf bis 20 Mikroliter pro Minute ein.

Füllen Sie den gesamten Kanal bis zum Behälter mit Flüssigkeit. Laden Sie anschließend 10 Mikroliter der ausbalancierten Bead-Lösung in das Reservoir und führen Sie die Bead-Lösung in den Mikrokanal ein, indem Sie die Durchflussrichtung an der Spritzenpumpe ändern. Schalten Sie abschließend den widerstandsbasierten Temperaturdetektor ein, indem Sie ein Milliampere Gleichstrom durch das computergesteuerte Messgerät leiten, während Sie den Widerstand messen und die Messdaten sortieren.

Stellen Sie zunächst das On-Chip-Kalorimetergerät und die mikrofluidische Schicht her, wie an anderer Stelle beschrieben. Montieren Sie das Gerät, indem Sie das Mikrokalorimetergerät in die Gerätehalterung setzen und das Gerät an den mikrofluidischen Ein- und Ausgängen zusammen mit den Halteranschlüssen der PDMS-Dichtungsschicht ausrichten. Montieren Sie anschließend die elektrischen Anschlussstifte an der Gerätehalterung und verriegeln Sie die Halterschrauben.

Verbinden Sie dann die PTFE-Schläuche sowohl mit den Einlässen als auch mit dem Auslass. Schließen Sie einen Einlass an eine mit Probe beladene Spritzenpumpe an und schließen Sie den anderen, da die Enthalpie in diesem Fall nicht gemessen wird. Laden Sie dann eine 300-Mikroliter-Probe in die Glasspritze und legen Sie sie auf die Spritzenpumpe.

Verwenden Sie sehr langsame, konstante Flussraten für Proben mit hoher Viskosität, wie z. B. Glycerin und ionische Flüssigkeiten. Für Messungen der Wärmeleitfähigkeit. Schließen Sie den Messaufbau wie hier gezeigt an.

Laden Sie die Glycerinprobe in die Mikrokalorimeterkammer und führen Sie ein modifiziertes computergesteuertes Programm aus. Zur Messung der Wärmedurchdringungszeit. Verwenden Sie die hier gezeigte kalibrierte Wärmedurchgangsgleichung, um die Wärmeleitfähigkeit aus der gemessenen Wärmedurchdringungszeit zu berechnen.

Verwenden Sie für spezifische Wärmemessungen den Messaufbau für die Wärmewellenanalyse, wie hier gezeigt. Laden Sie dieses Mal die ionische Flüssigkeit in die Kammer und verwenden Sie das gleiche Probenladeprogramm. Führen Sie das Programm zur Analyse thermischer Wellen aus, um die Amplitude der AC-Temperaturschwankungen zu ermitteln und die spezifische Wärme für jede Probe einer ionischen Flüssigkeit zu berechnen.

Dieser Prozess wird an anderer Stelle näher beschrieben. Für die kalorimetrische Detektion wird ein 40 bis 50 Nanometer dicker Temperaturdetektor mit Nickelfilmwiderstand mikrogefertigt, wie zuvor beschrieben. Verwenden Sie als Nächstes einen Messerplotter, um L-förmiges Papier zu schneiden.

Mikrofluidische Kanäle, die am größeren Bein drei Millimeter breit und 10 Millimeter lang und am kurzen Bein drei Millimeter lang sind. Tragen Sie mit einer sauberen Pinzette eine fünf Mikrometer dicke Schicht aus doppelseitigem Acrylkleber auf den Sensor auf und platzieren Sie den Papierkanal darauf. Schieben Sie das Papier mit einer sauberen Klinge zum Gerät und entfernen Sie alle Luftblasen.

Fügen Sie ein Milligramm Glukoseoxidase-Enzym zu einem Milliliter Natriumacetatpuffer hinzu. Um eine Lösung von einem Milligramm pro Milliliter herzustellen, stellen Sie den pH-Wert der Lösung bei Bedarf mit Natriumacetatpuffer auf 5,1 ein. Als nächstes spannen Sie den Widerstandstemperaturdetektor mit einem Milliampere Gleichstrom vor.

Um den Detektor zu aktivieren und mit der kontinuierlichen Messung des Widerstands zu beginnen, führen Sie zwei Mikroliter der vorbereiteten Glukoseoxidaselösung in die Mitte einer Mobilisierungsstelle des Papiermikrokanals ein. Die erkannte Temperatur beginnt zu sinken, um die Glukosekonzentration zu messen, Glukosestandards in den Einlass des Kanals einzuführen und die durch die Reaktion verursachte Widerstandsänderung zu messen. Wiederholen Sie dieses Experiment mit allen verschiedenen Glukosekontrolllösungen und speichern Sie die Resistenzdaten.

Rechnen Sie schließlich die Widerstandsänderung in die Glukosekonzentration um, indem Sie die Gleichungen verwenden, die im begleitenden Textprotokoll und an anderer Stelle aufgeführt sind. Die hier gezeigte Styroporkugel passiert den Widerstandstemperaturdetektor mit einer Durchflussrate von fünf Mikrolitern pro Minute. Beim Passieren des Sensors steigt der Widerstand leicht an und die Größe des Partikels kann anhand dieser Änderung erkannt werden.

Hier ist die typische Ausgabe eines papierbasierten kalormetrischen Sensors dargestellt. Sobald die Glukoseoxidase hinzugefügt wird, beginnt die Temperatur schnell zu sinken, bis das Enzym auf die Glukoselösung trifft. Sobald dies der Fall ist, findet eine Reaktion statt, und die Temperatur steigt an und beginnt dann wieder abzukühlen.

Diese Temperaturänderung kann in die Glukosekonzentration umgewandelt werden, um den Glukosespiegel in Probenschalen genau zu messen. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass das Design und die Struktur des Geräts eine Schlüsselrolle bei thermischen Messungen spielen. Die thermischen Parameter, die thermische Masse und der Anschlusswiderstand sowie die Sensorparameter sind in Referenzartikeln gut beschrieben.