Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wykonanie pomiarów termicznych w celu czułej detekcji w urządzeniach mikroprzepływowych. Trzy różne prefabrykowane urządzenia mikroprzepływowe zostaną wykorzystane do zademonstrowania różnych technik pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych. W drugim kroku do urządzeń sprzężone są rezystancyjne czujniki temperatury, a konfiguracja jest podłączona do komputera.

Następnie próbki są ładowane do urządzeń, a detekcja termiczna jest aktywowana przez sterownik. Uzyskane wyniki wskazują na rozszerzone możliwości detekcji pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak detekcja metryczna i elektrochemiczna, jest to, że technika ta zmniejsza złożoność pomiaru, jednocześnie rozszerzając zakres wykrywania.

Zacznij od mikrowytwarzania cienkowarstwowej membrany z azotku krzemu ze zintegrowanym czujnikiem temperatury przy użyciu techniki opisanej przez vota i wsp. Wypłucz gotowe urządzenie wodą dejonizowaną i wysusz urządzenie za pomocą gazowego azotu. Następnie wyprodukuj ośmiocylindryczną formę SU z mikrokanałami przy użyciu wcześniej opublikowanej techniki, dostosuj długość i szerokość mikrokanałów, aby pasowały do zakresu rozmiarów cząstek, które mają być wykrywane.

Wykonaj PDMS, mieszając 30 mililitrów bazy z trzema mililitrami utwardzacza. Po wymieszaniu usuń wszelkie pęcherzyki, wystawiając je na działanie próżni na pięć do 10 minut. Następnie wlej PDMS na formę.

Następnie umieść formę na płycie grzejnej w temperaturze 70 stopni Celsjusza na dwie godziny. Po utwardzeniu należy bardzo ostrożnie odkleić PDMS, aby nie uszkodzić mikrokanalików. Za pomocą ręcznego dziurkacza przebij jednomilimetrowy otwór na jednym z końców mikrokanalika na rurkę PTFE.

Użyj dwumilimetrowego stempla na drugim końcu, aby zrobić zbiornik. Następnie umieść dziurkowany mikrokanał na górze urządzenia i wyrównaj rezystancyjny detektor temperatury na środku mikrokanału za pomocą mikroskopu w interfejsie elektrycznym. Podłącz kołki elektryczne w pozycjach podkładki kontaktowej i dokręć blokujące.

Upewnij się, że kołki o regulowanej wysokości znajdują się na właściwych elektrodach w urządzeniu. Następnie przygotuj kulki polistyrenu, rozcieńczając je od jednego do 10 do 100 mikrolitrów wody DI w 1,5 mililitrowej tubce. Aby upewnić się, że kulki PS pozostają neutralnie wyporne w ilości 2,7 mikrolitra glicerolu do mieszaniny i mieszaj, pipetując w górę iw dół.

Napełnij szklaną strzykawkę o pojemności jednego mililitra 0,5 mililitra wody DI. Podłącz szklaną strzykawkę do jednego końca rurki PTFE, a drugi koniec rurki podłącz do kanału mikroprzepływowego. Umieść strzykawkę wypełnioną wodą DI na sterowanej komputerowo pompie strzykawkowej i ustaw natężenie przepływu w zakresie od pięciu do 20 mikrolitrów na minutę.

Napełnij cały kanał płynem aż do zbiornika. Następnie załaduj 10 mikrolitrów zbilansowanego roztworu kulek do zbiornika i wprowadź roztwór kulek do mikrokanału, zmieniając kierunek przepływu na pompie strzykawkowej. Na koniec włącz detektor temperatury oparty na rezystancji, przepuszczając jeden miliamper prądu stałego przez miernik sterowany komputerowo, jednocześnie mierząc rezystancję i sortując zmierzone dane.

Aby rozpocząć, wyprodukuj wbudowane urządzenie kalorymetryczne i warstwę mikroprzepływową, jak opisano w innym miejscu. Zmontować urządzenie, umieszczając urządzenie mikrokalorymetryczne w uchwycie urządzenia i ustawiając urządzenie do wlotów i wylotów mikroprzepływów wraz z łącznikami uchwytu warstwy uszczelniającej PDMS. Następnie zamontuj kołki połączeń elektrycznych na uchwycie urządzenia i zablokuj uchwytu na miejscu.

Następnie 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. Następnie załaduj próbkę o pojemności 300 mikrolitrów do szklanej strzykawki i umieść ją na pompie strzykawkowej.

Używaj bardzo niskich stałych natężeń przepływu do próbek o wysokiej lepkości, takich jak glicerol i ciecze jonowe. Do pomiarów dyfuzyjności cieplnej. Podłącz konfigurację pomiaru, jak pokazano tutaj.

Załaduj próbkę glicerolu do komory mikrokalorymetru i uruchom zmodyfikowany program sterowany komputerowo. Do pomiaru czasu przenikania ciepła. Użyj skalibrowanego równania przenikania ciepła pokazanego tutaj, aby obliczyć dyfuzyjność cieplną na podstawie zmierzonego czasu przenikania ciepła.

W przypadku pomiarów ciepła określonego należy użyć konfiguracji pomiaru analizy fal termicznych, jak pokazano tutaj. Tym razem załaduj ciecz jonową do komory i użyj tego samego programu ładowania próbki. Uruchom program do analizy fal termicznych, aby uzyskać amplitudę wahań temperatury prądu przemiennego i obliczyć ciepło właściwe dla każdej próbki cieczy jonowej.

Proces ten jest opisany bardziej szczegółowo w innym miejscu. W celu wykrywania kalorii należy wykonać mikrodetektor temperatury z rezystancją warstwy niklowej o grubości od 40 do 50 nanometrów, jak opisano wcześniej. Następnie za pomocą plotera nożowego wytnij papier w kształcie litery L.

Kanały mikroprzepływowe o szerokości trzech milimetrów i długości 10 milimetrów na większej nodze i trzech milimetrach długości na krótkiej nodze. Użyj czystej pęsety, aby dodać warstwę dwustronnego kleju akrylowego o grubości pięciu mikronów do czujnika i umieść kanał papierowy na górze. Użyj czystego ostrza, aby wepchnąć papier do urządzenia i usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza.

Dodaj jeden miligram enzymu oksydazy glukozowej do jednego mililitra buforu octanu sodu. Aby przygotować jeden miligram na mililitr roztworu, w razie potrzeby dostosuj pH roztworu do 5,1 za pomocą buforu octanu sodu. Następnie odchyl rezystancyjny detektor temperatury za pomocą jednego miliampera prądu stałego.

Aby aktywować detektor i rozpocząć ciągły pomiar rezystancji, należy wprowadzić dwa mikrolitry przygotowanego roztworu oksydazy glukozowej do środka miejsca mobilizacji mikrokanału papierowego. Wykryta temperatura zacznie spadać, aby zmierzyć stężenie glukozy, wprowadzić wzorce glukozy do wlotu kanału i zmierzyć zmianę oporu spowodowaną reakcją. Powtórz ten eksperyment ze wszystkimi różnymi roztworami kontrolnymi glukozy i zapisz dane dotyczące oporności.

Na koniec przelicz zmianę oporności na stężenie glukozy, korzystając z równań wymienionych w dołączonym protokole tekstowym i w innych miejscach. Pokazana tutaj kulka polistyrenowa przechodzi przez rezystancyjny czujnik temperatury z natężeniem przepływu pięciu mikrolitrów na minutę. Gdy przechodzi przez czujnik, rezystancja nieznacznie wzrasta i na podstawie tej zmiany można wykryć rozmiar cząstki.

Typowy wynik z papierowego czujnika kalorowego jest pokazany tutaj. Po dodaniu oksydazy glukozowej temperatura zaczyna szybko spadać, aż enzym spotka się z roztworem glukozy. Gdy tak się stanie, zachodzi reakcja i temperatura wzrasta, a następnie zaczyna się ponownie ochładzać.

Ta zmiana temperatury może zostać przekształcona w stężenie glukozy, aby dokładnie zmierzyć poziom glukozy w miskach na próbki Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że konstrukcja i struktura urządzenia odgrywa kluczową rolę w pomiarach termicznych. Parametry cieplne, masa termiczna i rezystancja końcówek oraz parametry czujnika są dobrze opisane w artykułach referencyjnych.