分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

次の実験の全体的な目標は、マイクロ流体デバイスでの高感度検出のための熱測定を実行することです。3つの異なる製造されたマイクロ流体デバイスを使用して、分析マイクロ流体デバイスでのさまざまな熱測定技術を実証します。第2のステップとして、抵抗ベースの温度検出器をデバイスに結合し、セットアップをコンピュータに接続します。

次に、サンプルがデバイスにロードされ、コントローラーによって熱検出がアクティブ化されます。この結果は、マイクロ流体デバイスにおける熱測定の拡張検出能力を示しています。この手法がコレメトリックや電気化学検出などの既存の方法と比較した場合の主な利点は、この手法により測定の複雑さが軽減され、検出範囲が拡大されることです。

まず、votaらが説明した技術を使用して、温度センサーを統合した薄膜窒化ケイ素膜を微細加工することから始め、完成したデバイスを脱イオン水ですすぎ、窒素ガスを使用してデバイスを乾燥させます。次に、以前に発表された技術を使用してマイクロチャネルを備えたSU8モールドを作製し、検出する粒子サイズの範囲に合わせてマイクロチャネルの長さと幅を調整します。

30ミリリットルのベースと3ミリリットルの硬化剤を混合してPDMSを作成します。混合したら、5〜10分間真空にさらして気泡を取り除きます。次に、PDMSを金型に流し込みます。

次に、金型を摂氏70度のホットプレートに2時間置きます。硬化したら、マイクロチャネルを損傷しないように、PDMSを非常に慎重に剥がします。手動パンチを使用して、PTFEチューブ用のマイクロチャネルの一端に1ミリメートルの穴を開けます。

もう一方の端に2mmのパンチを使用して、リザーバーを作ります。次に、パンチされたマイクロチャネルをデバイスの上部に置き、電気インターフェースの顕微鏡を使用して、抵抗ベースの温度検出器をマイクロチャネルの中央に位置合わせします。コンタクトパッドの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がデバイスの正しい電極パッドに配置されていることを確認してください。次に、ポリスチレンビーズを1.5ミリリットルのチューブで1〜10マイクロリットルのDI水に希釈して調製します。PSビーズが混合物に対して2.7マイクロリットルのグリセロールで中性浮力を保つようにし、ピペッティングで上下に混合します。

1ミリリットルのガラス製シリンジに0.5ミリリットルのDI水を入れます。ガラスシリンジをPTFEチューブの一方の端に接続し、チューブのもう一方の端をマイクロ流体チャネルに取り付けます。DI水充填シリンジをコンピューター制御のシリンジポンプに置き、流量を毎分5〜20マイクロリットルに設定します。

チャネル全体をリザーバーまで液体で満たします。次に、バランスのとれたビーズ溶液を10マイクロリットルのリザーバーにロードし、シリンジポンプで流れの方向を変えてビーズ溶液をマイクロチャネルに導入します。最後に、コンピュータ制御のメーターに1ミリアンペアのDC電流をバイアスして、抵抗を測定し、測定データをソートしながら、抵抗ベースの温度検出器をオンにします。

まず、他の場所で説明したように、オンチップの熱量計デバイスとマイクロ流体層を作製します。マイクロカロリメータデバイスをデバイスホルダーに配置し、デバイスをマイクロ流体の入口と出口、およびPDMSシール層のホルダーフィッティングに位置合わせして、デバイスを組み立てます。次に、電気接続ピンをデバイスホルダーに取り付け、ホルダーのネジを所定の位置にロックします。

次に、PTFEチューブを入口と出口の両方に接続します。この場合、エンタルピーは測定されないため、一方の入口をサンプル負荷シリンジポンプに接続し、もう一方の入口を閉じます。次に、300マイクロリットルのサンプルをガラスシリンジにロードし、シリンジポンプに置きます。

グリセロールやイオン液体などの高粘度サンプルには、非常に遅い一定流量を使用してください。熱拡散率測定用。ここに示すように、測定セットアップを接続します。

グリセロールサンプルをマイクロカロリメータチャンバーにロードし、修正したコンピュータ制御プログラムを実行します。熱浸透時間測定用。ここに示すキャリブレーション済みの熱浸透方程式を使用して、測定された熱浸透時間から熱拡散率を計算します。

比熱測定には、次に示すように熱波解析測定セットアップを使用します。今回は、イオン液体をチャンバーにロードし、同じサンプルロードプログラムを使用します。熱波解析プログラムを実行して、AC温度変動の振幅を取得し、各イオン液体サンプルの比熱を計算します。

このプロセスについては、他の場所で詳しく説明します。カロリメートル検出のために、前述のように、厚さ40〜50ナノメートルのニッケル膜抵抗温度検出器を微細に作製します。次に、ナイフプロッターを使ってL字型の紙をカットします。

幅 3 mm、長さ 10 mm、大きい方の脚部で 3 mm、短い脚部で 3 mm のマイクロ流体チャネル。清潔なピンセットを使用して、厚さ 5 ミクロンの両面アクリル接着剤をセンサーに追加し、紙チャネルを上に置きます。清潔なブレードを使用して用紙をデバイスに押し込み、気泡を取り除きます。

1ミリグラムのグルコースオキシダーゼ酵素を1ミリリットルの酢酸ナトリウム緩衝液に加えます。1ミリグラム/ミリリットルの溶液を作るには、必要に応じて酢酸ナトリウム緩衝液を使用して溶液のpHを5.1に調整します。次に、抵抗温度検出器に1ミリアンペアのDC電流をバイアスします。

検出器を作動させ、抵抗の測定を連続的に開始するには、調製したグルコースオキシダーゼ溶液の2マイクロリットルを紙マイクロチャネルの動員部位の中心に導入します。検出された温度は、グルコース濃度を測定し、チャネルの入口にグルコース標準を導入し、反応によって引き起こされる抵抗変化を測定するために低下し始めます。すべての異なるグルコースコントロール溶液でこの実験を繰り返し、耐性データを保存します。

最後に、抵抗性の変化をグルコース濃度に変換するには、添付のテキストプロトコールなどに記載されている式を使用します。ここに示されているポリスチレンビーズは、毎分5マイクロリットルの流量で抵抗温度検出器を通過しています。センサーを通過すると、抵抗がわずかに急上昇し、この変化に基づいて粒子のサイズを検出できます。

紙ベースの熱量測定センサーからの一般的な出力を以下に示します。グルコースオキシダーゼを添加すると、酵素がグルコース溶液と出会うまで温度が急速に低下し始めます。それが起こると、反応が起こり、温度が急上昇し、その後再び冷え始めます。

この温度変化は、サンプルボウル内のグルコースレベルを正確に測定するためにグルコース濃度に変換できます この手順を試みる際には、デバイスの設計と構造が熱測定において重要な役割を果たすことを覚えておくことが重要です。熱パラメータ、熱質量、端子抵抗、およびセンサパラメータについては、参考記事で詳しく説明しています。