分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

サマリー

ここでは、マイクロ流体デバイスでの熱測定のための3つのプロトコルを紹介します。

要約

熱測定技術は、材料の熱特性評価や化学反応検出など、多くの用途に使用されてきました。マイクロマシニング技術により、製造された構造の熱質量を減少させ、マイクロスケールおよびナノスケールのデバイスで高感度の熱測定を行う可能性を導入します。熱測定技術とマイクロ流体デバイスを組み合わせることで、小型化されたシステムを1つのチップに統合することにより、サンプル消費量を抑え、測定時間を短縮してさまざまな分析測定を行うことができます。このホワイトペーパーでは、粒子検出、材料特性評価、および化学検出のための熱測定技術の手順を紹介します。

概要

三つの異なるマイクロスケールの熱測定技術は、この資料に示されています。マイクロ流体デバイスの三つの異なる構成は、熱粒子検出（TPD）、熱特性（熱伝導率および比熱）と、化学反応との相互作用の比色検出のために使用されます。

熱粒子検出

マイクロ流体デバイス中の粒子を検出し、カウントが広く、環境、産業、および生物学的用途¹に使用されます。 TPDは、マイクロ流体デバイス²の熱測定の新たなアプリケーションの1つです。粒子サイズに基づいて粒子を検出および計数するための熱伝達を使用すると、システムの複雑さ、コスト、およびサイズ​​を減少させます。他の方法では、複雑な光学部品や複雑な電気的測定及び高度な信号処理ソフトウェアは、粒子を検出するために使用されます。

熱キャラマイクロカロリメータを用いた液体物質のcterization

液体試料熱特性は、マイクロ流体デバイス内の熱測定の第二のアプリケーションです。マイクロスケールの熱量測定を実行すること、サンプル消費量を低減し、従来のバルク熱量測定法と比較してより高い再現性を提供することにより、精度を増加させます。オンチップマイクロ熱量計装置を用いて熱伝導率および比熱を測定するための手順は、他の場所³に提示されています。熱伝導率測定のための熱の浸透時間の技術とマイクロ流体デバイスにおける比熱測定用の熱波解析（TWA）の詳細については、プロトコルの項に記載されています。

紙ベースのマイクロ流体デバイスにおける比色バイオケミカル検出

熱測定の別の用途は、紙ベースのマイクロ流体工学における生化学的検出です。での毛管作用紙の多孔質構造は、液体を搬送し、マイクロチャネル内の気泡の開始の問題を回避します。紙ベースのマイクロ流体デバイスの中で最も一般的な検出機構は、光学的又は電気化学的技術です。光学的検出は非常に複雑に悩まさ、高度な画像処理ソフトウェアの必要性が検出された信号を量子化します。それらは唯一の活性副生成物を生成する反応に適用することができるので、電気化学的検出も限られています。最近導入された比色紙ベースの生化学センサープラットフォーム^4は、紙ベースのマイクロ流体システムおよびラベルフリー熱検出機構を利用しています。紙ベースのマイクロ流体プラットフォームでグルコースオキシダーゼ（GOD）酵素を用いたグルコースの比色検出の手順は、プロトコルセクションに示されています。

本稿の目的は、マイクロ流体デバイスの熱測定技術の能力を実証することです。デバイスpreparationは、液体試料取り扱いおよび抵抗温度検出器（RTD）センサ励起及び測定は、次のセクションに示されています。

プロトコル

1.熱粒子検出（TPD）

1. 標準的な半導体加工技術^2を用いて、微細加工によって薄膜シリコン窒化膜と内蔵温度センサを微細加工シリコンデバイスを準備します。脱イオン（DI）水で製造されたデバイスをすすぎます。
   注意：熱粒子検出器、マイクロ流体デバイスの製造方法は、従来文献²に説明されます。
2. マイクロチャネルを有するポリジメチルシロキサン（PDMS）基板を製造するために^、5を処理する標準的なリソグラフィを用いて、SU8型を作成します。
   注：チャネルサイズは、各特定の粒子の大きさのために設計されています。
   1. 1塩基の割合（30ミリリットル）と硬化剤（3ミリリットル）：10を混合することによりPDMSを行います。金型へのPDMSを注いで簡単に真空（5〜10分間）に曝露することにより気泡を除去。
      注：真空レベルは、脱ガスの臨界値ではなく、それはガスbubbまで継続すべきですレは、完全に混合PDMSから削除されます。
   2. PDMSを硬化させるために2時間ホットプレート（〜70℃）での金型を置きます。金型を傷つけないように続いて非常に慎重にPDMSを剥がします。
      注：真空レベルが臨界値ではありません。
3. マニュアルパンチを使用して、一方の端部にPTFE管用タイト穴（1 mm）をパンチ。 PDMSリザーバを作るためにもう一方の端に大きなパンチ（2 mm）を使用してください。顕微鏡下でのデバイスの上にパンチマイクロ流路を配置し、マイクロ流路（ 図1A）の中心でRTDを揃えます。
4. 電気的インターフェースでは、コンタクトパッド位置で電気ピンを接続し、固定ネジを締めます。高さ調節可能なピン（ポゴピン）は、デバイス上の正しい電極パッドに座っていることを確認します。
5. 1.5mlチューブに脱イオン水100μlに集中PSビーズを10μl希釈します。
6. （グリセロールの2.7μlを添加、1.26をビーズが中性浮力ままPSを確保するために、グラム/ cm ^3）を脱イオン水に、ポリスチレン（PS）ビーズの密度に流体密度（一致1.05グラム/ cm ³で）。
7. 一方の端部でのチャネルと1ミリリットルのガラスシリンジに他端にPTFEチューブを接続します。 DI水0.5mlでガラスシリンジを埋めます。
   注：右のパンチサイズを選択することによって作られたタイトフィットがチューブに漏れが回避されます。
8. コンピュータ制御のシリンジポンプにDI水充填された注射器を置きます。流体をリザーバにすべての方法を、チャネル全体を埋めるために、チャネル内に水（5〜20μL/ min）を押します。
9. 負荷10のリザーバにバランスのとれたビーズ溶液のマイクロリットルシリンジポンプに流れ方向を変化させることによって、マイクロチャネルにビーズ溶液を導入します。
10. ソース/メーターで抵抗を測定し、（ 図2）は、測定データをソートしながら、コンピュータ制御のソース/メーターを介して直流電流1mAのバイアスをかけることによって、RTDをオンにします。
    注：実験の間、センサはバイアスされ;従って、温度を連続的に計数実験終了まで測定されます。 RTDセンサは、電気的に連続して計数実験の終了時まで温度を測定するために100μAから1ミリアンペアの範囲で直流電流を印加することによってバイアスされます。ノイズレベルと検出信号の振幅との間のトレードオフが存在するので、それは適切な電流レベルを選択することが重要です。シリンジポンプは、マイクロチャネル内の流れを生成するために使用されます。 TPD実験を実行するための適切な流量を選択すると、測定の速度に制限されます。この速度は、デバイスと電気測定速度の熱時定数の関数です。熱粒子検出実験の結果を図3に示します。
11. カレンダー-ヴァンドゥーゼン式^6を使用して、温度に測定された抵抗データを変換するために開発されたデータ処理ソフトウェア（LabVIEWの）を使用します。

2.熱マイクロ熱量計を用いた液体物質のキャラクタリゼーション

1. このプロセスでは、熱拡散率と試料の比熱を測定するためのオンチップ熱量計装置（ 図^{4A）3 を}使用します。
   注：各ダイ上に、2マイクロ熱量計室（ 図4B）があります。各チャンバーは2入口と一つの出口を有しています。また、各チャンバーはヒーターとRTDセンサー統合を持っています。
2. デバイスホルダー（ 図4C）上のマイクロ熱量計装置を配置します。ホルダーの金具を使用し、マイクロ流体入口と出口にデバイスを合わせます。デバイスの上にPDMSシール層を配置します。
3. デバイスホルダーに電気的接続ピンを取り付け、ホルダーのネジをロックします。
   注：高さ調節可能なポゴ·ピンが電気接触パッドと整列していることを確認してください。
4. デバイスホルダー（ 図4D）に磁気ラッチ付きマイクロ流体界面層をインストールします。 PTを接続しますFEは、入口と出口の両方にチューブ。エンタルピーは、この場合には測定されないように、サンプルを装填し、シリンジポンプに一つの入口を接続し、もう一方を閉じます。
5. マイクロチャネルおよびチャンバにサンプルをロードするために開発されたコンピュータ制御プログラムを使用します。
   注：このプログラムは、薄膜懸濁室に過度の力を解放するために中止フローを使用します。
   1. ガラスシリンジに300μlのサンプルをロードし、シリンジポンプの上に置きます。高粘度のサンプル（ 例えば 、グリセロールおよびイオン性液体）のための非常に遅い（0.25μL/分）は、一定の流量を使用してください。比熱測定のための熱拡散率の測定とイオン液体のためのグリセロールサンプルを使用してください。
6. 測定結果
   1. 熱拡散率の測定
      1. 図5（a）に示すように、測定のセットアップを接続します。マイクロ熱量計チャンバにグリセロールサンプルをロードします。ょんのための修正されたコンピュータ制御プログラムを実行します。 T浸透時間測定。
      2. 測定された熱浸透時間⁷から熱拡散率を計算するために較正された熱浸透式を使用します。
         
         αは熱拡散率であり、Lは、チャンバの厚さであり、pは、製造プロセスの変動に起因する厚さの較正係数であり、t _0は、熱浸透時間です。
   2. 比熱測定
      1. 図5（b）に示すように、TWA測定のセットアップを使用してください。同じサンプルローディングプログラムを使用して、チャンバ内のイオン性液体をロードします。 AC温度変動の振幅（∂T _AC）を取得し、特定の、C _pを計算するために、特定の熱方程式を使用し、各イオン性液体試料⁸のための熱するTWAプログラムを実行します。
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         C _0は、入力電力較正係数であり、入力電力であるP _で 、ωは、駆動信号の周波数であり、mは、液体試料の質量です。

紙ベースのマイクロ流体デバイス内の3熱量生化学的検出

1. 微細加工、薄膜（40〜50 nmのニッケル）RTDセンサを使用してください。 RTDセンサーの製造工程は、前の作品⁴で説明されています。
2. 紙ベースのチャネルの製作⁴の場合は、紙に設計されたパターン（L字型）とマイクロ流体チャネルを切断するためにナイフプロッタを使用しています。カッティングマットの上に紙を置き、ナイフプロッタに紙やカッティングマットをロードし、マイクロ流体紙チャンネル^4を切断するための適切なレシピを使用します。
3. デバイスとチャネルの統合については、RTDセンサ上に紙を統合するために、アクリル系粘着剤層（5μm）を使用します。きれいなBを使用してくださいデバイスに紙をプッシュして（ 図6A）の気泡を除去するために、クレード。アクリルフィルムは、RTDセンサーの上に紙を保持するための接着剤層です。
4. 酵素活性化のために、GOD酵素を活性化するために、50mMの酢酸ナトリウム緩衝液を使用します。 1mg / mlの溶液を作製するための酢酸ナトリウム緩衝液1mlにGOD酵素1mgを加えます。 5.1に溶液のpHを調整します。
   注：溶液を5.1のpHを維持するために、酢酸ナトリウム緩衝液中の酢酸の量を調整します。
5. 直流電流1mAのとバイアスRTD RTDを活性化し、抵抗は実験（〜4分）の後に落ち着くながら連続的に抵抗ソース/メーターの測定を開始します。
   注： 図6Bは、紙ベースの比色試験のための測定のセットアップを示しています。
6. ピペットを介して、紙、マイクロチャンネル（固定化部位）の中心に準備されたGOD溶液2μLをご紹介します。検出された温度（ 図7A）は、Tを起動する必要がありますO減少。
   注：この冷却効果は、RTDと一緒にサンプルの蒸発の高い動作温度に起因するものです。
7. グルコース濃度を測定するために、チャネルの入口に標準血糖コントロール液^9を導入し、反応による抵抗変化を測定します。すべての異なる血糖コントロールソリューション（高、標準および低濃度）で、この実験を繰り返し、抵抗データを保存します。
8. ニッケルRTD及びカレンダー·ヴァンドゥーゼン方程式の抵抗の温度係数（TCR）を使用して、温度に対する抵抗の変化に変換します。グルコースの反応エンタルピーとGOD酵素（ΔH = -80 kJの/モル）を考慮し、濃度の式^10を用いて、各試料中のグルコースの濃度を計算します。
   
   N _pはモル濃度、Cが検出された場合_{、ΔTは、計算された温度です。}

結果

図3は、測定された熱信号のプロットを示します。対応する光学画像とビーズの存在下で生成した信号は、マイクロチャネル内の微小球PSビーズの検出に成功を示します。マイクロ流路を通過する液体の熱伝導率は、PSビーズの存在による変化しています。チャネルの熱伝導率の変化は、マイクロチャネル内の熱伝達に影響を及ぼしています。マイクロチャネル内の熱伝達の変化は抵抗変動（ 図3AおよびB）の形でRTDによって検出されます。

検出された信号は、チャネル内の熱伝達に影響を与える局所流れ場（ 図3C及びD）の変化によって影響され得ます。熱伝導率の変化は、温度を増加させます。また、マイクロ流路内の局所速度の変更がベースチャネルサイズのPSビーズの寸法に匹敵する、局所熱伝達の増大を招きます。それが検出された抵抗の減少として現れるように、この場合には、熱伝達の変化の影響が支配的です。したがって、粒子サイズのチャネルサイズの対応がTPD実験に不...

ディスカッション

この研究では、マイクロ流体デバイスにおけるさまざまな熱測定技術とそれぞれのセットアップ手順について説明します。熱伝導率のモニタリング、熱浸透時間、交流熱変動の振幅、発生した熱の振幅測定などの熱測定方法は、特定の物質を検出し、さまざまな反応や相互作用を調査するために使用されます。

熱時定数は、前述の熱測定技術において重要な役割を果たします。マイクロ流体デバイスの設計では、熱時定数の最適化を考慮する必要があります。熱時定数は、製造されたデバイスの熱質量と熱伝導率の関数であり、各コンポーネントの材料によって異なります。薄膜材料と微細加工技術を使用することで、システムの熱質量を低減できます。熱伝導率は、吊り下げ構造と高熱伝導率材料を使用して周囲条件への熱リンクを減らすことによって改善されます。また、熱絶縁を使用して測定障害を回避するために周囲温度を制御することも重要です。

薄膜RTDは、導入されたデバイスで幅広い温度範囲にわたって高感度で線形温度測定を提供します。熱的および電子的測定ノイズは、導入された技術による分解能の制約です。<...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ポリジメチルシロキサン(PDMS)	ダウコーニング	シルガード184
PSビーズ - 90 μm	赤血球	100265
PSビーズ - 200 μm	赤血球	100271
グリセロール	SigmaAldrich	G5516
GOD 酵素	SigmaAldrich	G7141
グルコース制御ソリューション - 低	バイエル輪郭	低制御
グルコース制御ソリューション - ノーマル	バイエル輪郭	ノーマル コントロール
グルコース制御ソリューション - 高	バイエル輪郭	ハイコントロール
クロマトグラフィー濾紙	Whatman	3001-845
ガラス	VWR	48393-106
アクリルフィルム	日東電工	5600
ガラスシリンジ (1ml)	ハミルトン	1001
シリンジポンプ	ニューエラ	NE-500
ナイフプロッター	シルエット	ポートレート
電流プリアンプ スタン	フォードリサーチ	SR-570
オシロスコープ	アジレント	DSO 2420A
信号発生器	HP	HP3324A
ロックイン Amplifire	スタンフォード・リサーチ	SRS-830
ソース/メーター 2400	ケースレー	2400
ソース/メーター 2600	ケースレー	2436A