טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic אנליטי

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לבצע מדידות תרמיות לגילוי רגיש במכשירים מיקרופלואידיים. שלושה מכשירים מיקרופלואידיים מיוצרים שונים ישמשו להדגמת טכניקות מדידה תרמיות שונות במכשירים מיקרופלואידיים אנליטיים. כשלב שני, גלאי טמפרטורה מבוססי התנגדות מחוברים למכשירים וההתקנה מחוברת למחשב.

לאחר מכן, הדגימות נטענות למכשירים וזיהוי תרמי מופעל על ידי הבקר. התוצאות מראות את יכולות הזיהוי המורחבות של מדידה תרמית במכשירים מיקרופלואידיים. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כמו זיהוי מטרי ואלקטרוכימי, הוא שטכניקה זו מפחיתה את מורכבות המדידה תוך הרחבת טווח הגילוי.

התחל בשימוש במיקרו ייצור של קרום סיליקון ניטריד סרט דק עם חיישן טמפרטורה משולב בטכניקה שתוארה על ידי vota et al. שטפו את המכשיר שהושלם במים נטולי יונים וייבשו את המכשיר באמצעות גז חנקן. לאחר מכן, יצרו תבנית SU 8 עם תעלות מיקרו בטכניקה שפורסמה בעבר, התאימו את האורך והרוחב של תעלות המיקרו כך שיתאימו לטווח גדלי החלקיקים שיש לזהות.

הכינו את ה-PDMS על ידי ערבוב של 30 מיליליטר מהבסיס עם שלושה מיליליטר של חומר הריפוי. לאחר הערבוב, הסירו את הבועות על ידי חשיפתם לוואקום למשך חמש עד 10 דקות. לאחר מכן שפכו את ה-PDMS על התבנית.

לאחר מכן מניחים את התבנית על פלטה חמה בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך שעתיים. לאחר הריפוי, קלף את ה-PDMS בזהירות רבה כדי לא לפגוע במיקרו-ערוצים. בעזרת אגרוף ידני נקב חור של מילימטר אחד בקצה אחד של המיקרו-ערוץ עבור צינורות ה-PTFE.

השתמש באגרוף של שני מילימטר בקצה השני כדי ליצור מאגר. לאחר מכן, הנח את המיקרו-ערוץ המנוקב על גבי המכשיר ויישר את גלאי הטמפרטורה מבוסס ההתנגדות במרכז המיקרו-ערוץ בעזרת מיקרוסקופ בממשק החשמלי. חבר את פיני החשמל במיקומי כרית המגע והדק את ברגי הנעילה.

ודא שהפינים המתכווננים לגובה יושבים על רפידות האלקטרודות הנכונות במכשיר. לאחר מכן, הכינו את חרוזי הפוליסטירן על ידי דילול אחד עד 10 ל -10 מיקרוליטר מים DI בצינור של 1.5 מיליליטר. כדי להבטיח שחרוזי ה-PS יישארו צפים באופן ניטרלי ב-2.7 מיקרוליטר גליצרול לתערובת ומערבבים על ידי פיפטינג למעלה ולמטה.

מלאו מזרק זכוכית של מיליליטר אחד ב 0.5 מיליליטר מים DI. חבר את מזרק הזכוכית לקצה אחד של צינור ה-PTFE והצמד את הקצה השני של הצינור לתעלה המיקרופלואידית. הנח את המזרק המלא במים DI על משאבת מזרק מבוקרת מחשב והגדר את קצב הזרימה בין חמישה ל-20 מיקרוליטר לדקה.

מלאו את כל התעלה בנוזל כל הדרך למאגר. לאחר מכן, טען 10 מיקרוליטר מתמיסת החרוזים המאוזנת למאגר, והכנס את תמיסת החרוזים למיקרו-ערוץ על ידי שינוי כיוון הזרימה במשאבת המזרק. לבסוף, הפעל את גלאי הטמפרטורה מבוסס ההתנגדות על ידי הטיה של מיליאמפר אחד של זרם DC דרך המונה המבוקר במחשב תוך מדידת ההתנגדות ומיון הנתונים הנמדדים.

כדי להתחיל, יצר את מכשיר הקלורימטר על השבב ואת השכבה המיקרופלואידית כמתואר במקום אחר. הרכיב את המכשיר על ידי הנחת התקן המיקרו-קלורימטר במחזיק המכשיר ויישור ההתקן לכניסות והיציאות המיקרופלואידיות יחד עם אביזרי המחזיק של שכבת האיטום PDMS. לאחר מכן, התקן את פיני החיבור החשמלי על מחזיק המכשיר ונעל את ברגי המחזיק במקומם.

לאחר מכן חבר את צינורות ה-PTFE הן לכניסות והן לשקע. חבר כניסה אחת למשאבת מזרק עמוסה בדגימה וסגור את השנייה מכיוון שהאנטלפיה אינה נמדדת במקרה זה. לאחר מכן טען דגימה של 300 מיקרוליטר למזרק הזכוכית והנח אותה על משאבת המזרק.

השתמש בקצבי זרימה קבועים איטיים מאוד עבור דגימות צמיגות גבוהות כגון גליצרול ונוזלים יוניים. למדידות דיפוזיות תרמית. חבר את מערך המדידה כפי שמוצג כאן.

טען את דגימת הגליצרול לתא המיקרו קלורימטר והפעל תוכנית מבוקרת מחשב שונה. למדידת זמן חדירת חום. השתמש במשוואת חדירת החום המכוילת המוצגת כאן כדי לחשב דיפוזיביות תרמית מזמן חדירת החום הנמדד.

למדידות חום ספציפיות, השתמש במערך מדידת ניתוח גלים תרמיים כפי שמוצג כאן. הפעם, טען את הנוזל היוני בתא והשתמש באותה תוכנית טעינת דגימה. הפעל את תוכנית ניתוח הגלים התרמיים כדי לקבל את המשרעת של תנודות טמפרטורת AC ולחשב את החום הספציפי עבור כל דגימת נוזל יוני.

תהליך זה מתואר ביתר פירוט במקום אחר. לזיהוי מטרי קלורי, מיקרו מייצרים גלאי טמפרטורה התנגדות לסרט ניקל בעובי 40 עד 50 ננומטר כפי שתואר קודם לכן. לאחר מכן, השתמש בפלוטר סכין כדי לחתוך נייר בצורת L.

תעלות מיקרופלואידיות ברוחב שלושה מילימטרים ואורך 10 מילימטרים על הרגל הגדולה ואורך שלושה מילימטרים על הרגל הקצרה. השתמש בפינצטה נקייה כדי להוסיף שכבה בעובי חמישה מיקרון של דבק אקרילי דו צדדי לחיישן ולהניח את תעלת הנייר מעל. השתמש בלהב נקי כדי לדחוף את הנייר למכשיר ולהסיר בועות אוויר.

הוסף מיליגרם אחד של אנזים גלוקוז אוקסידאז למיליליטר אחד של מאגר נתרן אצטט. כדי ליצור תמיסה של מיליגרם אחד למיליליטר, התאם את ה-pH של התמיסה ל-5.1 עם מאגר נתרן אצטט במידת הצורך. לאחר מכן, הטה את גלאי טמפרטורת ההתנגדות עם מיליאמפר אחד של זרם DC.

כדי להפעיל את הגלאי ולהתחיל למדוד את ההתנגדות ברציפות, הכנס שני מיקרוליטרים של תמיסת הגלוקוז אוקסידאז המוכנה למרכז אתר גיוס של מיקרו-ערוץ הנייר. הטמפרטורה שזוהתה תתחיל לרדת כדי למדוד את ריכוז הגלוקוז, להכניס תקני גלוקוז לכניסת התעלה ולמדוד את שינוי ההתנגדות הנגרם על ידי התגובה. חזור על ניסוי זה עם כל הפתרונות השונים לבקרת סוכר ושמור את נתוני ההתנגדות.

לבסוף, המר את שינוי ההתנגדות לריכוז הגלוקוז באמצעות המשוואות המפורטות בפרוטוקול הטקסט הנלווה ובמקומות אחרים. חרוז הפוליסטירן המוצג כאן עובר מעל גלאי טמפרטורת ההתנגדות בקצב זרימה של חמישה מיקרוליטר לדקה. כאשר הוא עובר את החיישן, ההתנגדות עולה מעט וניתן לזהות את גודל החלקיק על סמך שינוי זה.

הפלט האופייני מחיישן מטרי קלור מבוסס נייר מוצג כאן. לאחר הוספת הגלוקוז אוקסידאז, הטמפרטורה מתחילה לרדת במהירות עד שהאנזים פוגש את תמיסת הגלוקוז. ברגע שזה קורה, מתרחשת תגובה והטמפרטורה עולה ואז מתחילה להתקרר שוב.

ניתן להמיר שינוי טמפרטורה זה לריכוז גלוקוז כדי למדוד במדויק את רמות הגלוקוז בקערות דגימות בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שעיצוב ומבנה המכשיר ממלאים תפקיד מפתח במדידות תרמיות. הפרמטרים התרמיים, המסה התרמית והתנגדות ההדקים ופרמטרי החיישן מתוארים היטב במאמרי עזר.