Artykuł metodologiczny

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

DOI:

10.3791/52828

⸱

3 czerwca 2015

 , 
1Nanoscale Devices Laboratory, Marquette University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy trzy protokoły pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Techniki pomiaru termicznego były wykorzystywane do wielu zastosowań, takich jak charakterystyka termiczna materiałów i wykrywanie reakcji chemicznych. Techniki mikroobróbki pozwalają na zmniejszenie masy termicznej wytwarzanych konstrukcji oraz wprowadzają możliwość wykonywania pomiarów termicznych o wysokiej czułości w urządzeniach w skali mikro i nano. Połączenie technik pomiaru termicznego z urządzeniami mikroprzepływowymi umożliwia wykonywanie różnych pomiarów analitycznych przy niskim zużyciu próbki i skróconym czasie pomiaru dzięki integracji zminiaturyzowanego systemu na jednym chipie. W artykule przedstawiono procedury technik pomiaru termicznego do wykrywania cząstek, charakterystyki materiałów i detekcji chemicznej.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule przedstawiono trzy różne techniki pomiaru termicznego w mikroskali. Trzy różne konfiguracje urządzeń mikroprzepływowych są wykorzystywane do detekcji cząstek termicznych (TPD), charakterystyki termicznej (przewodność cieplna i ciepło właściwe) oraz kalorymetrycznego wykrywania reakcji i oddziaływań chemicznych.

Termiczna detekcja cząstek

Wykrywanie i liczenie cząstek w urządzeniach mikroprzepływowych jest szeroko stosowane w zastosowaniach środowiskowych, przemysłowych i biologicznych1. TPD jest jednym z nowatorskich zastosowań pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych2. Wykorzystanie wymiany ciepła do wykrywania i zliczania cząstek na podstawie wielkości cząstek zmniejsza złożoność, koszty i rozmiar systemu. W innych metodach do wykrywania cząstek wykorzystuje się złożoną optykę lub złożone pomiary elektryczne oraz zaawansowane oprogramowanie do przetwarzania sygnałów.

Charakterystyka termiczna substancji ciekłych za pomocą mikrokalorymetru

Charakterystyka termiczna próbki cieczy to drugie zastosowanie pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych. Wykonanie kalorymetrii w mikroskali zmniejszy zużycie próbki i zwiększy precyzję, oferując wyższą powtarzalność w porównaniu z konwencjonalnymi metodami kalorymetrii masowej. Procedury pomiaru przewodności cieplnej i ciepła właściwego za pomocą wbudowanego w układ mikrokalorymetryczny przedstawiono w innym miejscu3. Szczegóły techniki czasu przenikania ciepła do pomiaru przewodności cieplnej oraz analizy fal termicznych (TWA) do pomiarów ciepła właściwego w urządzeniach mikroprzepływowych są opisane w rozdziale protokołu.

Kalorymetryczna detekcja biochemiczna w papierowym urządzeniu mikroprzepływowym

Innym zastosowaniem pomiarów termicznych jest detekcja biochemiczna w mikrofluidyce opartej na papierze. Działanie kapilarne w porowatej strukturze papieru przenosi ciecz i pozwala uniknąć problemów z inicjacją pęcherzyków w mikrokanałach. Najczęstszymi mechanizmami detekcji w papierowych urządzeniach mikroprzepływowych są techniki optyczne lub elektrochemiczne. Detekcja optyczna cierpi z powodu dużej złożoności i konieczności stosowania zaawansowanego oprogramowania do przetwarzania obrazu w celu kwantyzacji wykrytego sygnału. Detekcje elektrochemiczne są również ograniczone, ponieważ można je stosować tylko do reakcji, w których powstają aktywne produkty uboczne. Niedawno wprowadzona kalorymetryczna platforma czujników biochemicznych na bazie papieru4 wykorzystuje system mikroprzepływowy oparty na papierze i mechanizm detekcji termicznej bez etykiet. Procedury kalorymetrycznej detekcji glukozy za pomocą enzymu oksydazy glukozowej (GOD) w papierowej platformie mikroprzepływowej przedstawiono w części dotyczącej protokołu.

Celem tego artykułu jest zademonstrowanie możliwości technik pomiaru termicznego w urządzeniach mikroprzepływowych. Przygotowanie urządzenia, obsługa próbki cieczy oraz wzbudzenie i pomiar czujnika rezystancyjnego detektora temperatury (RTD) przedstawiono w kolejnych rozdziałach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Termiczna detekcja cząstek (TPD)

  1. Przygotuj mikroprefabrykowane urządzenie krzemowe z cienkowarstwową membraną z azotku krzemu i zintegrowanym czujnikiem temperatury za pomocą mikroobróbki, przy użyciu standardowej technologii przetwarzania półprzewodników2. Wypłucz wyprodukowane urządzenie wodą dejonizowaną (DI).
    Uwaga: Metoda wytwarzania mikroprzepływowego detektora cząstek termicznych została wyjaśniona we wcześniejszej publikacji2.
  2. Aby wyprodukować podłoża z polidimetylosiloksanu (PDMS) z mikrokanałami, należy utworzyć formę SU8 przy użyciu standardowych procesów litograficznych5,
    Uwaga: Rozmiar kanału jest dostosowany do konkretnego wymiaru każdej cząstki.
    1. Przygotuj PDMS, mieszając bazę (30 ml) i utwardzacz w stosunku 10:1 (3 ml). Wlej PDMS do formy i usuń bąbelki, wystawiając ją na krótko na działanie próżni (5-10 min).
      Uwaga: Poziom próżni nie jest wartością krytyczną dla odgazowania i powinien trwać do momentu całkowitego usunięcia pęcherzyków gazu z mieszanego PDMS.
    2. Umieść formę na płycie grzejnej (~70 °C) na 2 godziny, aby utwardzić PDMS. Następnie bardzo ostrożnie odklej PDMS, aby nie uszkodzić formy.
      Uwaga: Poziom podciśnienia nie jest wartością krytyczną.
  3. Za pomocą ręcznego dziurkacza wybij ciasny otwór (1 mm) na rurkę PTFE na jednym końcu. Użyj dużego stempla (2 mm) na drugim końcu, aby PDMS stał się zbiornikiem. Umieść dziurkowany mikrokanał na górze urządzenia pod mikroskopem i wyrównaj czujnik RTD na środku mikrokanału (rysunek 1A).
  4. W interfejsie elektrycznym podłącz styki elektryczne w pozycjach podkładki kontaktowej i dokręć blokujące. Upewnij się, że kołki o regulowanej wysokości (kołki Pogo) znajdują się na właściwych elektrodach w urządzeniu.
  5. Rozcieńczyć 10 μl skoncentrowanych kulek PS w 100 μl wody DI w probówce o pojemności 1,5 ml.
  6. Aby upewnić się, że kulki PS pozostają neutralnie wyporne, dodaj 2,7 μl glicerolu (1,26 g/cm3) do wody DI, aby dopasować gęstość płynu do gęstości kulek polistyrenu (PS) (1,05 g/cm3).
  7. Podłącz rurkę PTFE do kanału na jednym końcu, a drugi koniec do szklanej strzykawki o pojemności 1 ml. Napełnić szklaną strzykawkę 0,5 ml wody demineralizowanej.
    Uwaga: Szczelne dopasowanie wykonane przez wybór odpowiedniego rozmiaru stempla pozwoli uniknąć wycieków w rurkach.
  8. Umieścić strzykawkę napełnioną wodą DI na sterowanej komputerowo pompie strzykawkowej. Wepchnij wodę (5-20 μl/min) do kanału, aby napełnić cały kanał płynem aż do zbiornika.
  9. Załadować 10 μl zbilansowanego roztworu kulek do zbiornika i wprowadzić roztwór kulek do mikrokanału, zmieniając kierunek przepływu na pompie strzykawkowej.
  10. Włącz czujnik RTD, przepuszczając 1 mA prądu stałego przez sterowane komputerowo źródło/miernik, jednocześnie mierząc rezystancję według źródła/miernika i sortując zmierzone dane (Rysunek 2).
    Uwaga: Podczas eksperymentu czujnik jest obciążony; W związku z tym temperatura jest mierzona w sposób ciągły aż do końca eksperymentu liczenia. Czujnik RTD jest spolaryzowany elektrycznie poprzez przyłożenie prądu stałego w zakresie od 100 μA do 1 mA w celu ciągłego pomiaru temperatury do końca eksperymentu zliczającego. Bardzo ważne jest, aby wybrać właściwy poziom prądu, ponieważ istnieje kompromis między poziomem szumu a wykrytą amplitudą sygnału. Pompa strzykawkowa służy do generowania przepływu w mikrokanalikach. Wybór odpowiedniego natężenia przepływu do przeprowadzenia eksperymentu TPD jest ograniczony do szybkości pomiaru. Prędkość ta jest funkcją termicznej stałej czasowej urządzenia i prędkości pomiaru elektrycznego. Wyniki eksperymentu z detekcją cząstek termicznych przedstawiono na rysunku 3.
  11. Użyj opracowanego oprogramowania do przetwarzania danych (LabVIEW), aby przekonwertować zmierzone dane rezystancji na temperaturę za pomocą równania Callendara-Van Dusena6.

2. Charakterystyka termiczna substancji ciekłych za pomocą mikrokalorymetru

  1. W tym procesie należy użyć wbudowanego kalorymetru (rysunek 4A) 3 do pomiaru dyfuzyjności cieplnej i ciepła właściwego próbek.
    Uwaga: Na każdej matrycy znajdują się 2 komory mikrokalorymetru (rysunek 4B). Każda komora posiada 2 wloty i jeden wylot. Każda komora ma zintegrowaną grzałkę i czujnik RTD.
  2. Umieść przyrząd mikrokalorymetru na uchwycie urządzenia (Rysunek 4C). Dopasuj urządzenie do wlotów i wylotów mikroprzepływowych za pomocą złączek uchwytu. Umieść warstwę uszczelniającą PDMS na górze urządzenia.
  3. Zamontuj kołki połączeń elektrycznych na uchwycie urządzenia i zablokuj uchwytu.
    Uwaga: Upewnij się, że kołki Pogo o regulowanej wysokości są wyrównane z elektroklockami stykowymi.
  4. Zamontuj warstwę interfejsu mikroprzepływowego z zatrzaskami magnetycznymi do uchwytu urządzenia (Rysunek 4D). Podłącz rurki PTFE do obu wlotów i wylotu. Podłączyć jeden wlot do pompy strzykawkowej załadowanej próbką i zamknąć drugi, ponieważ entalpia nie jest w tym przypadku mierzona.
  5. Użyj opracowanego programu sterowanego komputerowo, aby załadować próbkę do mikrokanału i komór.
    Uwaga: Program użyje przerwanego przepływu, aby uwolnić nadmierne ciśnienie w cienkowarstwowej komorze zawieszonej.
    1. Załadować próbkę o objętości 300 μl do szklanej strzykawki i umieścić ją na pompie strzykawkowej. Do próbek o wysokiej lepkości (np. glicerolu i cieczy jonowych) należy stosować bardzo wolne (0,25 μl/min) stałe natężenia przepływu). Użyj próbki glicerolu do pomiarów dyfuzyjności cieplnej i cieczy jonowych do pomiarów ciepła właściwego.
  6. Pomiary
    1. Pomiary dyfuzyjności cieplnej
      1. Połącz konfigurację pomiarów, jak pokazano na rysunku 5A. Załadować próbkę glicerolu do komory mikrokalorymetru. Uruchom zmodyfikowany program sterowany komputerowo do pomiaru czasu przenikania ciepła.
      2. Użyj skalibrowanego równania przenikania ciepła, aby obliczyć dyfuzyjność cieplną na podstawie zmierzonego czasu przenikania ciepła7:
        figure-protocol-1
        gdzie α to dyfuzyjność cieplna, L to grubość komory, p to współczynnik kalibracji grubości spowodowany zmiennością procesu produkcyjnego, a t0 to czas przenikania ciepła.
    2. Pomiary ciepła właściwego
      1. Użyj konfiguracji pomiaru TWA, jak pokazano na rysunku 5B. Użyj tego samego programu ładowania próbki i załaduj ciecz jonową do komory. Uruchom program TWA, aby uzyskać amplitudę wahań temperatury prądu przemiennego (∂TAC) i użyj równania ciepła właściwego, aby obliczyć ciepło właściwe, cp, dla każdej próbki cieczy jonowej8:
        figure-protocol-2
        gdzie C0 to współczynnik kalibracji mocy wejściowej, Pin to moc wejściowa, ω to częstotliwość sygnału uruchamiającego, a m to masa próbki cieczy.

3. Kalorymetryczna detekcja biochemiczna w papierowym urządzeniu mikroprzepływowym

  1. Użyj mikrofabrykowanego czujnika RTD cienkowarstwowego (nikiel 40-50 nm). Etapy produkcji czujnika RTD zostały wyjaśnione w poprzednich pracach4.
  2. W przypadku wytwarzania kanałów na bazie papieru4 należy użyć plotera nożowego, aby wyciąć papierowe kanały mikroprzepływowe z zaprojektowanym wzorem (w kształcie litery L). Umieść papier na macie do cięcia, załaduj papier i matę do cięcia do plotera nożowego i użyj odpowiedniego przepisu, aby przeciąć mikroprzepływowe kanały papieru4.
  3. W celu integracji urządzenia i kanału należy użyć warstwy kleju akrylowego (5 μm), aby zintegrować papier z czujnikiem RTD. Użyj czystego ostrza, aby wepchnąć papier do urządzenia i usunąć pęcherzyki powietrza (Rysunek 6A). Folia akrylowa jest warstwą klejącą, która utrzymuje papier nad czujnikiem RTD.
  4. Do aktywacji enzymu należy użyć 50 mM buforu octanu sodu, aby aktywować enzym GOD. Dodać 1 mg enzymu GZT do 1 ml buforu octanu sodu, aby uzyskać roztwór o stężeniu 1 mg/ml. Dostosować pH roztworu do 5.1.
    Uwaga: Dostosuj ilość kwasu octowego w buforze octanu sodu, aby utrzymać pH roztworu 5.1.
  5. Odchyl RTD prądem stałym 1 mA, aby aktywować RTD i rozpocząć ciągły pomiar źródła/miernika rezystancji, podczas gdy rezystancja ustabilizuje się po eksperymencie (~4 min).
    Uwaga: Rysunek 6B przedstawia konfigurację pomiaru dla papierowego testu kalorymetrycznego.
  6. Wprowadzić 2 μl przygotowanego roztworu GOD do środka papierowego mikrokanalika (miejsca unieruchomienia) za pomocą pipety. Wykryta temperatura (Rysunek 7A) musi zacząć spadać.
    Uwaga: Ten efekt chłodzenia jest spowodowany wyższą temperaturą pracy czujnika RTD i odparowaniem próbki.
  7. Aby zmierzyć stężenie glukozy, należy wprowadzić wzorcowy roztwór kontrolnyglukozy 9 do wlotu kanału i zmierzyć zmianę oporu spowodowaną reakcją. Powtórz ten eksperyment ze wszystkimi różnymi roztworami kontrolnymi glukozy (wysokie, normalne i niskie stężenia) i zapisz dane dotyczące oporności.
  8. Korzystając ze współczynnika temperaturowego oporu (TCR) dla RTD niklu i równania Callendara-Van Dusena, przelicz zmianę rezystancji na temperaturę. Obliczyć stężenie glukozy w każdej próbce, biorąc pod uwagę entalpię reakcji glukozy i enzymu GZT (ΔH = -80 kJ/mol) i stosując równanie stężenia10:
    figure-protocol-3
    gdzie wykrywa się stężenie molowe np, Cp jest pojemnością cieplną układu, a ΔT oblicza się temperaturę.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 pokazuje wykres zmierzonego sygnału termicznego. Wygenerowane sygnały w obecności kulek wraz z odpowiadającymi im obrazami optycznymi pokazują pomyślne wykrycie kulek PS mikrosfery w mikrokanale. Przewodność cieplna cieczy przechodzącej przez mikrokanał zmienia się z powodu obecności kulek PS. Ta zmiana przewodności cieplnej kanału wpływa na wymianę ciepła w mikrokanale. Zmiana wymiany ciepła w mikrokanale jest wykrywana przez RTD w postaci fluktuacji rezystancji (rys. 3A i

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W niniejszej pracy przedstawiono różne techniki pomiaru termicznego w urządzeniach mikroprzepływowych i odpowiadające im procedury konfiguracji. Te metody pomiaru ciepła, takie jak monitorowanie przewodności cieplnej, czas przenikania ciepła, amplituda wahań termicznych prądu przemiennego oraz pomiar amplitudy wytwarzanego ciepła, są wykorzystywane do wykrywania określonych substancji i badania różnych reakcji i interakcji.

Termiczna stała czasowa odgrywa kluczową rolę we wspomnianych technik...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Częściowe wsparcie finansowe dla tej pracy zostało zapewnione przez U.S. National Science Foundation poprzez Industry/University Cooperative Research Center on Water Equipment & Policy zlokalizowane na University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0968887) i Marquette University (IIP-0968844). Dziękujemy Glennowi M. Walkerowi, Woo-Jin Changowi i Shankarowi Radhakrishnanowi za pomocne dyskusje.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Polidimetylosiloksan (PDMS) DowCorning Sylgard 184
PS - 90 μ mKoraliki100265
PS - 200 μ mKrwinka100271
GlicerolSigmaAldrichG5516
GODSigmaAldrichG7141
Roztwór kontrolny glukozy - niskikontur BayeraRoztwór kontrolny glikemii o niskiej kontroli
- normalnykontur BayeraNormalny
roztwór kontrolny glikemii - wysokikontur Bayerao wysokiej kontroli
Whatman3001-845
SzkłoVWR 48393-106
Folia akrylowaNitto Denko5600
Szklana strzykawka (1 ml)Hamilton1001
Pompa strzykawkowaPloter nożowy New EraNE-500
Sylwetkaportret
Przedwzmacniacz prądowyStanford ResearchSR-570
OcilloskopAgilentDSO 2420A
Generator sygnałuHPHP3324A
Lock-in AmplifireStanford ResearchSRS-830
Źródło/miernik 2400Keithley2400
Źródło/miernik 2600Keithley2436A
Koraliki korpuskularne enzym Bibuła filtracyjna do chromatografii

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. 17 (5), 871-878 (2014).
  3. Davaji, B., Bak, H. J., Chang, W. J., Lee, C. H. A Novel On-chip Three-dimensional Micromachined Calorimeter with Fully Enclosed and Suspended Thin-film Chamber for Thermal Characterization of Liquid Samples. Biomicrofluidics. 8 (3), 034101-034113 (2014).
  4. Davaji, B., Lee, C. H. A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing. Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).
  5. Liu, J., et al. Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist. Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).
  6. Dusen, M. S. V. Platinum-resistance thermometry at low temperatures. J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).
  7. Arpaci, V. S. Conduction Heat Transfer. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, MA. (1966).
  8. Garden, J. L., Chteau, E., Chaussy, J. Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples. Appl. Phys. Lett. 84, 3597-3599 (2004).
  9. Kilo, C., et al. Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration. Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).
  10. Scheper, T. Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology). , Springer-Verlag. (1999).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Detektor temperaturowydetekcja cz stekcharakterystyka materia wdetekcja chemicznadetekcja kalorymetrycznadyfuzyjno cieplnapomiar ciep a w a ciwegodetekcja glukozy

Powiązane artykuły