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Summary

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Abstract

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.

Introduction

Tre differenti tecniche di misura termiche micro-scala sono presentati in questo articolo. Le tre diverse configurazioni di dispositivi microfluidici sono utilizzati per la rilevazione termica delle particelle (TPD), caratterizzazione termica (conducibilità termica e calore specifico), e la rilevazione calorimetrico di reazioni chimiche e interazioni.

Rilevazione particelle termica

Rilevazione ed il conteggio di particelle in dispositivi microfluidici è ampiamente usato per applicazioni ambientali, industriali e biologici ^1. TPD è una delle nuove applicazioni delle misure termiche in dispositivi microfluidici ^2. Utilizzando il trasferimento di calore per rilevazione ed il conteggio di particelle in base alla dimensione delle particelle riduce la complessità, il costo e le dimensioni del sistema. In altri metodi, ottiche complesse o misure elettriche complessi e avanzati software di elaborazione del segnale sono utilizzati per rilevare le particelle.

Chara termicacterization di sostanze liquide Utilizzando Micro-calorimetro

Caratterizzazione termica campione liquido è la seconda applicazione della misurazione termica in dispositivi microfluidici. Esecuzione di calorimetria micro-scala ridurrà il consumo di campione e aumentare la precisione, offrendo maggiore ripetibilità rispetto ai tradizionali metodi calorimetria rinfusa. Le procedure per la conducibilità termica e la misurazione calore specifico utilizzando il dispositivo on-chip micro-calorimetro sono presentati altrove ^3. I dettagli della tecnica tempo di penetrazione di calore per la misura della conducibilità termica e l'analisi dell'onda termica (TWA) per specifiche misure di calore in dispositivi microfluidici sono descritti nella sezione del protocollo.

Calorimetrico Bio-chimica di rilevamento in cartaceo dispositivo a microfluidi

Un'altra applicazione di misura termico è la diagnosi biochimica in microfluidica cartacei. L'azione capillare instruttura porosa di carta porta il liquido ed evita problemi bolla iniziazione a micro-canali. I meccanismi di rilevazione più comuni in dispositivi microfluidici cartacei sono tecniche ottici o elettrochimici. Rilevamento ottico soffre di elevata complessità e la necessità di software avanzato di elaborazione delle immagini per quantizzare il segnale rilevato. Rilevazioni elettrochimiche sono limitati perché possono essere applicati solo a reazioni che producono sottoprodotti attivi. Il calorimetrica cartaceo piattaforma sensore biochimico recentemente introdotto ⁴ sfrutta il sistema di microfluidica cartaceo e il meccanismo di rilevamento termico senza etichetta. Le procedure di rilevazione calorimetrica di glucosio utilizzando glucosio ossidasi (GOD), enzima in una piattaforma microfluidica cartaceo sono presentati nella sezione del protocollo.

L'obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare le capacità tecniche di misura termici nei dispositivi microfluidici. Il preparatio dispositivon, campione liquido rivelatore maneggevolezza e resistenza alla temperatura (RTD) Sensore di eccitazione e la misurazione sono presentate nei prossimi paragrafi.

Protocol

1. termica rivelazione di particelle (TPD)

1. Preparare il dispositivo di silicio micro-fabbricate con una membrana di nitruro di silicio a film sottile e sensore di temperatura integrato per micromachining, utilizzando una tecnologia di semiconduttori standard di ^2. Sciacquare il dispositivo fabbricato con acqua deionizzata (DI).
   Nota: il metodo di fabbricazione per il rivelatore di particelle termico dispositivo microfluidica è spiegato in pubblicazione preliminare ^2.
2. Per produrre polidimetilsilossano (PDMS) substrati con micro-canali, creare uno stampo SU8 utilizzando la litografia standard di processi ^5.
   Nota: La dimensione del canale è stato progettato per la dimensione di ogni particella specifica.
   1. Rendere PDMS mescolando un rapporto di 10: 1 di base (30 ml) e agente (3 ml) polimerizzazione. Versare il PDMS sulla allo stampo e rimuovere le bolle brevemente esponendola ad un vuoto (5-10 min).
      Nota: Il livello di vuoto non è un valore critico per la degassificazione e dovrebbe continuare fino bubb gasles sono totalmente rimosso da PDMS misti.
   2. Mettere lo stampo su una piastra (~ 70 ° C) per 2 ore per curare il PDMS. Poi staccare il PDMS molta attenzione per non danneggiare lo stampo.
      Nota: il livello di vuoto non è un valore critico.
3. Usando un punzone manuale, un buco stretto (1 mm) per il tubo di PTFE ad una estremità. Utilizzare un grande punzone (2 mm) all'altra estremità per rendere le PDMS un serbatoio. Posizionare il micro-channel perforate sulla parte superiore del dispositivo al microscopio e allineare l'RTD al centro della micro-canale (Figura 1A).
4. Nell'interfaccia elettrico, collegare i pin elettriche al contatto posizioni pad e stringere le viti di bloccaggio. Assicurarsi che i piedini regolabili in altezza (pin Pogo) siedono alle elettrodi corretti sul dispositivo.
5. Diluire 10 ml di perline concentrati PS in 100 ml di acqua deionizzata in un provetta da 1,5 ml.
6. Per garantire la PS perline rimangono galleggiamento neutro, aggiungere 2,7 ml di glicerolo (1.26g / cm ³⁾ di acqua deionizzata in modo che corrisponda alla densità del fluido al polistirolo (PS) densità tallone (1,05 g / cm ^3).
7. Collegare il tubo di PTFE al canale ad una estremità e l'altra estremità ad una siringa di vetro da 1 ml. Riempire la siringa di vetro con 0,5 ml di acqua deionizzata.
   Nota: ben aderente fatta selezionando il formato pugno destro permetterà di evitare perdite in tubi.
8. Mettere l'acqua DI riempita siringa sul pompa a siringa controllati dal computer. Spingere l'acqua (5-20 ml / min) nel canale di riempire l'intero canale di fluido fino al serbatoio.
9. Carico 10 ml di soluzione tallone equilibrata al serbatoio ed introdurre la soluzione tallone al micro-channel cambiando la direzione di flusso della pompa a siringa.
10. Accendere l'RTD polarizzando 1 mA di corrente continua attraverso il computer controllato source / metro mentre si misura la resistenza da source / metro e classificare i dati misurati (figura 2).
    Nota: Durante l'esperimento, il sensore è polarizzato; Pertanto, la temperatura viene misurata in continuo fino alla fine dell'esperimento conteggio. Il sensore RTD è elettricamente polarizzato applicando una corrente continua nel campo da 100 mA a 1 mA per misurare continuamente la temperatura fino alla fine dell'esperimento conteggio. È fondamentale per selezionare il livello esatta poiché non vi è un compromesso tra il livello di rumore e l'ampiezza del segnale rilevato. La pompa a siringa viene usato per generare il flusso di micro-channel. Selezionando una portata appropriata per eseguire l'esperimento TPD è limitata alla velocità della misurazione. Questa velocità è una funzione della costante di tempo termica del dispositivo e velocità di misura elettrica. I risultati dell'esperimento rivelazione di particelle termica sono mostrati in Figura 3.
11. Utilizzare il software di elaborazione dei dati sviluppato (LabVIEW) per convertire i dati di resistenza misurati temperatura mediante l'equazione di Callendar-Van Dusen ^6.

2. termicaCaratterizzazione di sostanze liquide Utilizzando un Micro-calorimetro

1. In questo processo, utilizzare il dispositivo on-chip calorimetro (Figura 4A) ³ per misurare la diffusività termica e il calore specifico dei campioni.
   Nota: In ogni dado, ci sono 2 camere micro-calorimetrici (Figura 4B). Ogni camera dispone di 2 ingressi ed una uscita. E ogni camera ha una stufa e un sensore RTD integrato.
2. Posizionare il dispositivo di micro-calorimetro sul dispositivo supporto (Figura 4C). Allineare il dispositivo alle prese microfluidica e le uscite con i raccordi supporto. Posizionare lo strato di tenuta PDMS sulla parte superiore del dispositivo.
3. Installare i perni di collegamento elettrico del dispositivo supporto e bloccare le viti del supporto.
   Nota: Assicurarsi che i perni Pogo regolabili in altezza sono in linea con le pastiglie di contatto elettrico.
4. Installare lo strato di interfaccia microfluidica con fermi magnetici al dispositivo titolare (Figura 4D). Collegare il PTFE Tubi a entrambi gli ingressi e l'uscita. Collegare un ingresso alla pompa a siringa campione caricato e chiudere l'altra, come entalpia non è misurato in questo caso.
5. Utilizzare un programma controllato dal computer sviluppato per caricare il campione nel micro-canali e camere.
   Nota: il programma utilizzerà il flusso ha interrotto per rilasciare una pressione eccessiva sulla camera sospeso a film sottile.
   1. Caricare il campione 300 microlitri nella siringa vetro e posizionarlo sulla pompa a siringa. Usa (0,25 ml / min) le portate costanti molto lenta per campioni ad alta viscosità (ad esempio, glicerolo e liquidi ionici). Utilizzare un campione di glicerolo per misure di diffusività termica e liquidi ionici per specifiche misure di calore.
6. Misure
   1. Misure diffusività termica
      1. Collegare la configurazione misurazioni come mostrato in Figura 5A. Caricare il campione glicerolo alla camera micro-calorimetro. Eseguire il programma di computer controllato modificato per hea t penetrazione misurazione del tempo.
      2. Usare l'equazione penetrazione del calore calibrato per calcolare diffusività termica dal momento in penetrazione del calore misurato ^7:
         
         dove α è diffusività termica, L è lo spessore della camera, p è il fattore di calibrazione spessore a causa di variazioni di processo di fabbricazione, e t ₀ è il tempo di penetrazione di calore.
   2. Misure di calore specifico
      1. Utilizzare il sistema di misura TWA come mostrato in Figura 5B. Utilizzare lo stesso programma di caricamento dei campioni e caricare il liquido ionico nella camera. Eseguire il programma TWA per ottenere l'ampiezza delle fluttuazioni di temperatura AC (∂ T _AC) e utilizzare l'equazione del calore specifico per calcolare la specifica, c _p, calore per ogni campione liquido ionico ^8:
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         dove C ₀ viene immesso fattore di calibrazione di potenza, _in P è la potenza di ingresso, ω è la frequenza del segnale di attivazione, ed m è la massa del campione liquido.

3. calorimetrico biochimica rilevamento in base Paper dispositivo a microfluidi

1. Utilizzare microfabbricazione sensore RTD a film sottile (40-50 nm nichel). Fasi di fabbricazione per il sensore di RTD sono spiegati in lavori precedenti ^4.
2. Per cartaceo canali fabbricazione ^4, utilizzare un plotter coltello per tagliare la carta canali microfluidica con un modello progettato (L-forma). Posizionare la carta sulla parte superiore del tappeto di taglio, caricare la carta e il tappetino di taglio al plotter coltello, e usare la ricetta appropriata per tagliare i canali microfluidici carta ^4.
3. Per il dispositivo e il canale di integrazione, utilizzare uno strato adesivo acrilico (5 micron) per integrare la carta sul sensore RTD. Utilizzare un b pulitolade per spingere la carta al dispositivo e rimuovere le bolle d'aria (Figura 6A). Il film acrilico è uno strato adesivo per tenere il foglio sensore RTD.
4. Per l'attivazione di enzimi, utilizzare 50 mM tampone di acetato di sodio per attivare l'enzima GOD. Aggiungere 1 mg di enzima GOD a 1 ml di tampone di acetato di sodio per rendere la soluzione 1 mg / ml. Regolare il pH della soluzione a 5,1.
   Nota: regolare la quantità di acido acetico in tampone acetato di sodio per mantenere il pH della soluzione 5.1.
5. Bias il RTD con 1 mA di corrente continua per attivare la RST e iniziare a misurare la fonte di resistenza / metro continuamente mentre la resistenza si assesta dopo l'esperimento (~ 4 min).
   Nota: La Figura 6B mostra la configurazione di misurazione per la prova calorimetrica cartaceo.
6. Introdurre 2 ml di soluzione GOD preparata al centro del foglio micro-channel (sito immobilizzazione) tramite pipetta. La temperatura rilevata (Figura 7A) deve iniziare to diminuire.
   Nota: Questo effetto di raffreddamento è dovuto alla maggiore temperatura funzionamento della RST e l'evaporazione del campione insieme.
7. Per misurare la concentrazione di glucosio, introdurre soluzione di controllo del glucosio standard da ⁹ al canale di ingresso e misurare la variazione di resistenza causata dalla reazione. Ripetere questo esperimento con tutti i diversi soluzioni di controllo del glucosio (alta, normale e bassa concentrazione) e salvare i dati di resistenza.
8. Usando il coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) di RST nichel e equazione Callendar-Van Dusen, convertire la variazione di resistenza alla temperatura. Calcolare la concentrazione di glucosio in ogni campione considerando l'entalpia di reazione del glucosio e l'enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mole) e utilizzando l'equazione concentrazione ^10:
   
   in cui viene rilevato n _p concentrazione molare, C <sub> P è la capacità termica del sistema e DT viene calcolata la temperatura.

Representative Results

Discussion

Different thermal measurement techniques in microfluidic devices and their respective setup procedures are presented in this work. These thermal measurement methods such as thermal conductivity monitoring, thermal penetration time, amplitude of AC thermal fluctuations, and amplitude measurement of the generated heat are used to detect specific substances and investigate different reactions and interactions.

The thermal time constant plays a key role in the aforementioned thermal measurement techniques. In microfluidic device design, the optimization of thermal time constants must be considered. The thermal time constant is a function of the thermal mass and the thermal conductivity of the fabricated device, which are dependent on the material of each component. Using thin-film materials and micro-fabrication techniques allows reduction of the thermal mass of the system. The thermal conductivity is improved by using suspended structures and high thermal conductivity materials to reduce the thermal link to ambient conditions. Also it is important to control the ambient temperature to avoid measurement disturbances by using a thermal isolation.

The thin film RTD offers high sensitivity and linear temperature measurement in the introduced devices over a wide range of temperatures. The thermal and the electronic measurement noises are the constraints for the resolution with the introduced techniques.

Microfluidic devices with thermal measurement methods are capable of performing different physical and chemical measurements within the RTD linear measurement range. These techniques could also be useful for different chemical and bio-sample reaction and interaction detection for point-of-care applications and sample characterization. The introduced techniques are able to perform measurements from the tissue level to the single cell level.

Materials

Polydimethylsiloxane (PDMS) 	Dow Corning	Sylgard 184
PS beads – 90 μm	Corpuscular	100265
PS beads – 200 μm	Corpuscular	100271
Glycerol	SigmaAldrich	G5516
GOD enzyme	SigmaAldrich	G7141
Glucose Control Solution – Low	Bayer contour	Low Control
Glucose Control Solution – Normal	Bayer contour	Normal Control
Glucose Control Solution – High	Bayer contour	High Control
Chromatography filter paper	Whatman	3001-845
Glass	VWR 	48393-106
Acrylic Film	Nitto Denko	5600
Glass syringe (1 ml)	Hamilton	1001
Syringe pump	New Era	NE-500
knife plotter	Silhouette	portrait
Current Preamplifier	Stanford Research	SR-570
Ocilloscope	Agilent	DSO 2420A
Signal Generator	HP	HP3324A
Lock-in Amplifire	Stanford Research	SRS-830
Source/meter 2400	Keithley	2400
Source/meter 2600	Keithley	2436A