Techniques de mesure thermiques dans les dispositifs microfluidiques analytiques

L’objectif général de l’expérience suivante est d’effectuer des mesures thermiques pour une détection sensible dans des dispositifs microfluidiques. Trois dispositifs microfluidiques fabriqués différents seront utilisés pour démontrer différentes techniques de mesure thermique dans des dispositifs microfluidiques analytiques. Dans un deuxième temps, des détecteurs de température basés sur la résistance sont couplés aux appareils et la configuration est connectée à un ordinateur.

Ensuite, les échantillons sont chargés dans les appareils et la détection thermique est activée par le contrôleur. Les résultats montrent les capacités de détection étendues de la mesure thermique dans les dispositifs microfluidiques. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes telles que les détections choliques, métriques et électrochimiques, est qu’elle réduit la complexité de la mesure tout en élargissant la portée de détection.

Commencez par utiliser la micro-fabrication d’une membrane en nitrure de silicium à couche mince avec un capteur de température intégré en utilisant la technique décrite par vota et al. Rincez l’appareil terminé avec de l’eau désionisée et séchez l’appareil à l’aide d’azote gazeux. Ensuite, fabriquez un moule SU huit avec des micro-canaux à l’aide d’une technique précédemment publiée, adaptez la longueur et la largeur des micro-canaux à la gamme de tailles de particules à détecter.

Préparez le PDMS en mélangeant 30 millilitres de la base avec trois millilitres d’agent de durcissement. Une fois mélangé, retirez les bulles en l’exposant à l’aspirateur pendant cinq à 10 minutes. Versez ensuite le PDMS sur le moule.

Placez ensuite le moule sur une plaque chauffante à 70 degrés Celsius pendant deux heures. Une fois durci, décollez le PDMS très soigneusement afin de ne pas endommager les microcanaux. À l’aide d’un poinçon manuel, perforez un trou d’un millimètre à une extrémité du microcanal pour le tube en PTFE.

Utilisez un poinçon de deux millimètres à l’autre extrémité pour faire un réservoir. Ensuite, placez le microcanal perforé sur le dessus de l’appareil et alignez le détecteur de température basé sur la résistance au centre du microcanal à l’aide d’un microscope dans l’interface électrique. Connectez les broches électriques aux positions de la pastille de contact et serrez les vis de blocage.

Assurez-vous que les broches réglables en hauteur reposent sur les bons électrodes sur l’appareil. Ensuite, préparez les billes de polystyrène en les diluant de un à 10 dans 100 microlitres d’eau DI dans un tube de 1,5 millilitre. Pour s’assurer que les billes de PS restent neutres à 2,7 microlitres de glycérol par rapport au mélange et mélangez en pipetant de haut en bas.

Remplissez une seringue en verre d’un millilitre avec 0,5 millilitre d’eau DI. Connectez la seringue en verre à une extrémité du tube en PTFE et fixez l’autre extrémité du tube au canal microfluidique. Placez la seringue remplie d’eau DI sur une pompe à seringue contrôlée par ordinateur et réglez le débit entre cinq et 20 microlitres par minute.

Remplissez tout le canal de liquide jusqu’au réservoir. Ensuite, chargez 10 microlitres de la solution de billes équilibrée dans le réservoir et introduisez la solution de billes dans le microcanal en changeant le sens d’écoulement sur la pompe à seringue. Enfin, allumez le détecteur de température basé sur la résistance en polarisant un milliampère de courant continu à travers le compteur contrôlé par ordinateur tout en mesurant la résistance et en triant les données mesurées.

Pour commencer, fabriquez le dispositif calorimétrique sur puce et la couche microfluidique comme décrit ailleurs. Assemblez l’appareil en plaçant l’appareil microcalorimètre dans le support de l’appareil et en alignant l’appareil sur les entrées et sorties microfluidiques ainsi que sur les raccords du support de la couche d’étanchéité PDMS. Ensuite, installez les broches de connexion électrique sur le support de l’appareil et verrouillez les vis du support en place.

Connectez ensuite les tubes en PTFE aux deux entrées et à la sortie. Connectez une entrée à une pompe à seringue chargée d’échantillon et fermez l’autre car l’enthalpie n’est pas mesurée dans ce cas. Chargez ensuite un échantillon de 300 microlitres dans la seringue en verre et placez-le sur le pousse-seringue.

Utilisez des débits constants très lents pour les échantillons à haute viscosité tels que le glycérol et les liquides ioniques. Pour les mesures de diffusivité thermique. Connectez la configuration de mesure comme indiqué ici.

Chargez l’échantillon de glycérol dans la chambre du micro-calorimètre et exécutez un programme modifié contrôlé par ordinateur. Pour la mesure du temps de pénétration de la chaleur. Utilisez l’équation de pénétration de chaleur calibrée illustrée ici pour calculer la diffusivité thermique à partir du temps de pénétration de la chaleur mesuré.

Pour des mesures de chaleur spécifiques, utilisez la configuration de mesure d’analyse des ondes thermiques comme indiqué ici. Cette fois, chargez le liquide ionique dans la chambre et utilisez le même programme de chargement d’échantillon. Exécutez le programme d’analyse des ondes thermiques pour obtenir l’amplitude des fluctuations de température AC et calculer la chaleur spécifique pour chaque échantillon de liquide ionique.

Ce processus est décrit plus en détail ailleurs. Pour la détection calorimétrique, micro-fabriquez un détecteur de température à résistance de film de nickel de 40 à 50 nanomètres d’épaisseur, comme décrit précédemment. Ensuite, utilisez un traceur à couteau pour couper du papier en forme de L.

Des canaux microfluidiques de trois millimètres de large et de 10 millimètres de long sur la plus grande jambe et de trois millimètres de long sur la jambe courte. Utilisez une pince à épiler propre pour ajouter une couche de cinq microns d’épaisseur d’adhésif acrylique double face au capteur et placez le canal de papier sur le dessus. Utilisez une lame propre pour pousser le papier sur l’appareil et éliminer les bulles d’air.

Ajoutez un milligramme d’enzyme glucose oxydase à un millilitre de tampon d’acétate de sodium. Pour obtenir une solution d’un milligramme par millilitre, ajustez le pH de la solution à 5,1 avec un tampon d’acétate de sodium si nécessaire. Ensuite, polarisez le détecteur de température à résistance avec un milliampère de courant continu.

Pour activer le détecteur et commencer à mesurer la résistance en continu, introduisez deux microlitres de la solution de glucose oxydase préparée au centre d’un site de mobilisation du microcanal en papier. La température détectée commencera à diminuer pour mesurer la concentration de glucose, introduire des étalons de glucose à l’entrée du canal et mesurer le changement de résistance causé par la réaction. Répétez cette expérience avec toutes les différentes solutions de contrôle du glucose et enregistrez les données de résistance.

Enfin, convertissez la variation de résistance en concentration de glucose à l’aide des équations énumérées dans le protocole de texte ci-joint et ailleurs. La bille de polystyrène montrée ici passe au-dessus du détecteur de température à résistance avec un débit de cinq microlitres par minute. Lorsqu’il passe devant le capteur, la résistance augmente légèrement et la taille de la particule peut être détectée en fonction de ce changement.

La sortie typique d’un capteur métrique calor sur papier est illustrée ici. Une fois que la glucose oxydase est ajoutée, la température commence à diminuer rapidement jusqu’à ce que l’enzyme rencontre la solution de glucose. Une fois que c’est le cas, une réaction a lieu et la température monte en flèche puis recommence à se refroidir.

Ce changement de température peut être converti en concentration de glucose pour mesurer avec précision les niveaux de glucose dans les bols d’échantillons. Lors de cette procédure, il est important de se rappeler que la conception et la structure de l’appareil jouent un rôle clé dans les mesures thermiques. Les paramètres thermiques, la masse thermique et la résistance terminale, ainsi que les paramètres du capteur sont bien décrits dans les articles de référence.