方法論記事

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

DOI：

10.3791/52828

⸱

2015年6月3日

 , 
1Nanoscale Devices Laboratory, Marquette University

この記事について

サマリー

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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

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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

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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....

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プロトコル

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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 ....

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結果

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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.......

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ディスカッション

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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。<.......

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開示事項

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利害の衝突は宣言されていません。

謝辞

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この仕事のための部分的な財政支援はウィスコンシン州ミルウォーキー（IIP-0968887）の大学とマルケット大学（IIP-0968844）に位置する給水用機器＆政策に関する産業/大学共同研究センターを通じて、米国国立科学財団によって提供されました。私たちは役に立つ議論のためにグレン·M.ウォーカー、ウー·ジン·チャンとシャンカルラダクリシュナンに感謝します。

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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SigmaAldrichG5516
GOD 酵素SigmaAldrichG7141
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Whatman3001-845
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HPHP3324A
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

参考文献

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  1. Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. Methods for counting particles in microfluidic applications. Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).
  2. Vutha, A. K., Davaji, B., Lee, C. H., Walker, G. M. A microfluidic device for thermal particle detection. Microfluid Nanofluid.

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