Name: Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 29 s
Description: Poznaj techniki pomiaru termicznego w mikroprzepływowych urządzeniach analitycznych z wykrywaczami temperatury opartymi na rezystancji. Metoda ta upraszcza pomiary i rozszerza możliwości detekcji w porównaniu do tradycyjnych metod elektrochemicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Termiczna detekcja cząstek (TPD)
<ol>
	<li>Przygotować mikrofabrykowane urządzenie krzemowe z cienkowarstwową membraną z azotku krzemu i zintegrowanym czujnikiem temperatury metodą mikrobobróbki, stosując standardową technologię procesów półprzewodnikowych2. Przepłukać wykonane urządzenie wodą dejonizowaną (DI). 
	Uwaga: Metoda wykonania mikrofluidycznego urządzenia detektora cząstek termicznych została opisana w poprzedniej publikacji2.</li>
	<li>Aby wytworzyć podłoża z polidimetylosiloksanu (PDMS) z mikrokanałami, stworzyć formę SU8 przy użyciu standardowych procesów litograficznych5. 
	Uwaga: Rozmiar kanału jest projektowany dla wymiarów konkretnej cząstki.
	<ol>
		<li>Przygotować PDMS, mieszając bazę (30 ml) i czynnik sieciujący (3 ml) w stosunku 10:1. Wlać PDMS do formy i usunąć pęcherzyki powietrza poprzez krótką ekspozycję w próżni (5-10 min). 
		Uwaga: Poziom próżni nie jest wartością krytyczną dla degazyfikacji; proces powinien trwać do całkowitego usunięcia pęcherzyków gazu z wymieszanego PDMS.</li>
		<li>Umieścić formę na płycie grzewczej (~70 °C) na 2 h w celu utwardzenia PDMS. Następnie bardzo ostrożnie odkleić PDMS, aby nie uszkodzić formy. 
		Uwaga: Poziom próżni nie jest wartością krytyczną.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Za pomocą ręcznego wycinaka wykonać ciasny otwór (1 mm) dla rurki PTFE na jednym końcu. Na drugim końcu użyć większego wycinaka (2 mm), aby stworzyć zbiornik w PDMS. Umieścić wycięty mikrokanał na urządzeniu pod mikroskopem i wyrównać RTD w centrum mikrokanału (Rycina 1A).</li>
	<li>W interfejsie elektrycznym połączyć piny elektryczne w pozycjach podkładek kontaktowych i dokręcić śruby blokujące. Upewnić się, że piny z regulowaną wysokością (piny Pogo) opierają się na odpowiednich podkładkach elektrod na urządzeniu.</li>
	<li>Rozcieńczyć 10 µl stężonych kulek PS w 100 µl wody DI w probówce 1,5 ml.</li>
	<li>Aby zapewnić neutralną wyporność kulek PS, dodać 2,7 µl glicerolu (1,26 g/cm3) do wody DI, aby dopasować gęstość cieczy do gęstości kulek polistyrenowych (PS) (1,05 g/cm3).</li>
	<li>Podłączyć rurkę PTFE do kanału z jednej strony, a z drugiej do szklanej strzykawki 1 ml. Napełnić szklaną strzykawkę 0,5 ml wody DI. 
	Uwaga: Ścisłe dopasowanie uzyskane poprzez wybór odpowiedniego rozmiaru wycinaka zapobiegnie wyciekom w rurkach.</li>
	<li>Umieścić strzykawkę wypełnioną wodą DI w pompie strzykawkowej sterowanej komputerowo. Wtłoczyć wodę (5-20 µl/min) do kanału, aby wypełnić cały kanał cieczą aż do zbiornika.</li>
	<li>Wprowadzić 10 µl zrównoważonego roztworu kulek do zbiornika i wprowadzić roztwór kulek do mikrokanału poprzez zmianę kierunku przepływu w pompie strzykawkowej.</li>
	<li>Uruchomić RTD poprzez przyłożenie prądu stałego 1 mA za pomocą sterowanego komputerowo źródła/miernika, jednocześnie mierząc rezystancję źródłem/miernikiem i sortując zmierzone dane (Rycina 2). 
	Uwaga: Podczas eksperymentu czujnik jest polaryzowany; w związku z tym temperatura jest mierzona w sposób ciągły aż do końca eksperymentu liczenia. Czujnik RTD jest polaryzowany elektrycznie poprzez przyłożenie prądu stałego w zakresie od 100 µA do 1 mA w celu ciągłego pomiaru temperatury do końca eksperymentu liczenia. Krytyczne jest wybranie odpowiedniego poziomu prądu, ponieważ istnieje kompromis między poziomem szumów a amplitudą wykrytego sygnału. Pompa strzykawkowa jest używana do generowania przepływu w mikrokanale. Wybór odpowiedniej prędkości przepływu do przeprowadzenia eksperymentu TPD jest ograniczony prędkością pomiaru. Prędkość ta jest funkcją stałej czasowej termicznej urządzenia oraz prędkości pomiaru elektrycznego. Wyniki eksperymentu termicznego wykrywania cząstek przedstawiono na Rycini 3.</li>
	<li>Użyć opracowanego oprogramowania do przetwarzania danych (LabVIEW), aby przekształcić zmierzone dane rezystancji na temperaturę przy użyciu równania Callendara–Van Dusena6.</li>
</ol>
2. Charakterystyka termiczna substancji ciekłych z użyciem mikrokalerymetru
<ol>
	<li>W tym procesie należy użyć zintegrowanego urządzenia kalorymetrycznego (Rysunek 4A) 3, aby zmierzyć dyfuzyjność cieplną oraz ciepło właściwe próbek. 
	Uwaga: Na każdym krysztale znajdują się 2 komory mikrokalorymetru (Rysunek 4B). Każda komora posiada 2 wloty i jeden wylot. W każdej komorze zintegrowano grzałkę oraz czujnik RTD.</li>
	<li>Umieścić urządzenie mikrokalorymetryczne w uchwycie urządzenia (Rysunek 4C). Wyrównać urządzenie z mikrofluidycznymi wlotami i wylotami za pomocą złączy uchwytu. Na górze urządzenia umieścić warstwę uszczelniającą z PDMS.</li>
	<li>Zainstalować piny połączeń elektrycznych w uchwycie urządzenia i dokręcić śruby uchwytu. 
	Uwaga: Należy upewnić się, że piny Pogo z regulacją wysokości są wyrównane z elektrycznymi polami kontaktowymi.</li>
	<li>Zainstalować warstwę interfejsu mikrofluidycznego z zatrzaskami magnetycznymi w uchwycie urządzenia (Rysunek 4D). Podłączyć rurki PTFE do obu wlotów i do wylotu. Jeden wlot podłączyć do pompy strzykawkowej z załadowaną próbką, a drugi zamknąć, ponieważ w tym przypadku nie mierzy się entalpii.</li>
	<li>Użyć opracowanego programu sterowanego komputerowo, aby wprowadzić próbkę do mikrokanału i komór. 
	Uwaga: Program będzie wykorzystywać przepływ przerywany, aby zredukować nadmierne ciśnienie w komorze zawieszonej na cienkiej warstwie.
	<ol>
		<li>Wprowadzić 300 µl próbki do szklanej strzykawki i umieścić ją w pompie strzykawkowej. W przypadku próbek o wysokiej lepkości (np. glicerolu i cieczy jonowych) stosować bardzo niskie (0,25 µl/min) stałe prędkości przepływu. Do pomiarów dyfuzyjności cieplnej należy użyć próbki glicerolu, a do pomiarów ciepła właściwego – cieczy jonowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiary
	<ol>
		<li>Pomiary dyfuzyjności cieplnej
		<ol>
			<li>Podłączyć zestaw pomiarowy zgodnie z Rysunkiem 5A. Wprowadzić próbkę glicerolu do komory mikrokalorymetru. Uruchomić zmodyfikowany program sterowany komputerowo do pomiaru czasu penetracji ciepła.</li>
			<li>Użyć skalibrowanego równania penetracji ciepła, aby obliczyć dyfuzyjność cieplną z zmierzonego czasu penetracji ciepła7: 
			<img alt="Równanie dla α w fizyce analitycznej; wzór: α=((L×p)²/((16/π)t₀)); do celów edukacyjnych." src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> 
			gdzie α to dyfuzyjność cieplna, L to grubość komory, p to współczynnik kalibracji grubości wynikający ze zmienności procesu produkcji, a t0 to czas penetracji ciepła.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Pomiary ciepła właściwego
		<ol>
			<li>Użyć zestawu pomiarowego TWA zgodnie z Rysunkiem 5B. Użyć tego samego programu wprowadzania próbek i wprowadzić ciecz jonową do komory. Uruchomić program TWA, aby uzyskać amplitudę fluktuacji temperatury prądu przemiennego (∂TAC) i użyć równania ciepła właściwego do obliczenia ciepła właściwego, cp, dla każdej próbki cieczy jonowej8: 
			<img alt="Wzór na pojemność cieplną obliczenie cp; równanie stosowane w badaniach i eksperymentach z analizy termicznej." src="/files/ftp_upload/52828/52828eq2.jpg" width="117" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 2"> 
			gdzie C0 to współczynnik kalibracji mocy wejściowej, Pin to moc wejściowa, ω to częstotliwość sygnału wzbudzenia, a m to masa próbki cieczy.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Kalorymetryczna detekcja biochemiczna w papierowym urządzeniu mikrofluidycznym
<ol>
	<li>Należy użyć mikrofabrykowanego czujnika RTD z cienkiej warstwy (40-50 nm niklu). Kroki wytwarzania czujnika RTD zostały wyjaśnione w poprzednich pracach4.</li>
	<li>W celu wykonania kanałów papierowych4 należy użyć plotera tnącego do wycięcia papierowych kanałów mikroprzepływowych zgodnie z zaprojektowanym wzorem (w kształcie litery L). Papier należy położyć na macie do cięcia, włożyć papier wraz z matą do plotera i zastosować odpowiedni program cięcia, aby wyciąć papierowe kanały mikroprzepływowe4.</li>
	<li>W celu integracji urządzenia i kanału należy użyć akrylowej warstwy klejącej (5 µm), aby przymocować papier do czujnika RTD. Należy użyć czystego ostrza, aby docisnąć papier do urządzenia i usunąć pęcherzyki powietrza (Rycina 6A). Folia akrylowa stanowi warstwę klejącą utrzymującą papier nad czujnikiem RTD.</li>
	<li>W celu aktywacji enzymu należy użyć 50 mM buforu octanu sodu do aktywacji enzymu GOD. Należy dodać 1 mg enzymu GOD do 1 ml buforu octanu sodu, aby przygotować roztwór o stężeniu 1 mg/ml. Należy dostosować pH roztworu do wartości 5.1. 
	Uwaga: Ilość kwasu octowego w buforze octanu sodu należy dostosować tak, aby utrzymać pH roztworu na poziomie 5.1.</li>
	<li>Należy spolaryzować RTD prądem stałym 1 mA, aby aktywować RTD i rozpocząć ciągły pomiar za pomocą źródła/miernika rezystancji, aż rezystancja ustabilizuje się po eksperymencie (~4 min). 
	Uwaga: Rycina 6B przedstawia układ pomiarowy dla papierowego testu kalorymetrycznego.</li>
	<li>Za pomocą pipety należy wprowadzić 2 µl przygotowanego roztworu GOD do centrum papierowego mikrokanału (miejsce immobilizacji). Wykrywana temperatura (Rycina 7A) powinna zacząć spadać. 
	Uwaga: Efekt chłodzenia wynika z połączenia wyższej temperatury pracy RTD oraz odparowania próbki.</li>
	<li>Aby zmierzyć stężenie glukozy, należy wprowadzić standardowy roztwór kontrolny glukozy9 do wlotu kanału i zmierzyć zmianę rezystancji wywołaną reakcją. Należy powtórzyć ten eksperyment dla wszystkich różnych roztworów kontrolnych glukozy (stężenia wysokie, normalne i niskie) i zapisać dane dotyczące rezystancji.</li>
	<li>Wykorzystując temperaturowy współczynnik rezystancji (TCR) dla niklowego RTD oraz równanie Callendara–Van Dusena, należy przeliczyć zmianę rezystancji na temperaturę. Stężenie glukozy w każdej próbce należy obliczyć, uwzględniając entalpię reakcji glukozy i enzymu GOD (ΔH = -80 kJ/mole) oraz korzystając z równania stężenia10: 
	<img alt="Termodynamika, równanie ciepła właściwego nₚ=Cₚ(ΔT/ΔH); wzór dla analizy pojemności cieplnej." src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 3"> 
	gdzie np to wykryte stężenie molowe, Cp to pojemność cieplna układu, a ΔT to obliczona temperatura.</li>
</ol>

<ol><li>Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+counting+particles+in+microfluidic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Methods for counting particles in microfluidic applications.</a> Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).</li>
<li>Vutha, A. K., Davaji, B., Lee, C. H., Walker, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microfluidic+device+for+thermal+particle+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">A microfluidic device for thermal particle detection.</a> Microfluid Nanofluid. 17 (5), 871-878 (2014).</li>
<li>Davaji, B., Bak, H. J., Chang, W. J., Lee, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Novel+On-chip+Three-dimensional+Micromachined+Calorimeter+with+Fully+Enclosed+and+Suspended+Thin-film+Chamber+for+Thermal+Characterization+of+Liquid+Samples%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">A Novel On-chip Three-dimensional Micromachined Calorimeter with Fully Enclosed and Suspended Thin-film Chamber for Thermal Characterization of Liquid Samples.</a> Biomicrofluidics. 8 (3), 034101-034113 (2014).</li>
<li>Davaji, B., Lee, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+paper-based+calorimetric+microfluidics+platform+for+bio-chemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing.</a> Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).</li>
<li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+research+of+high+aspect+ratio+microstructure+using+SU-8+resist%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist.</a> Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).</li>
<li>Dusen, M. S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Platinum-resistance+thermometry+at+low+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Platinum-resistance thermometry at low temperatures.</a> J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).</li>
<li>Arpaci, V. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aArpaci%2C+VS+%22Conduction+Heat+Transfer%22">Conduction Heat Transfer</a>. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, MA. (1966).</li>
<li>Garden, J. L., Chteau, E., Chaussy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive+ac+nanocalorimeter+for+microliter-scale+liquids+or+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 3597-3599 (2004).</li>
<li>Kilo, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+a+New+Blood+Glucose+Monitoring+System+with+Auto-Calibration%5BTitle%5D)+AND+%22Diabetes+Technol.+Ther%22%5BJournal%5D)">Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration.</a> Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).</li>
<li>Scheper, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aScheper%2C+T+%22Thermal+Biosensors+Bioactivity+Bioaffinity+%28Advances+in+Biochemical+Engineering%2FBiotechnology%29%22">Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology)</a>. , Springer-Verlag. (1999).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Polidimetylosiloksan (PDMS)&nbsp;</td>Koraliki <td>Dow</td><td>Corning Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>PS - 90 &#956; m</td><td>Koraliki</td><td>100265</td><td></td>korpuskularne</tr><tr><td>PS - 200 &#956; m</td><td>Krwinka</td><td>100271</td><td></td></tr><tr><td>Glicerol</td><td>SigmaAldrich</td><td>G5516</td><td></td></tr><tr><td>GOD</td> enzym <td>SigmaAldrich</td><td>G7141</td><td></td></tr><tr><td>Roztwór kontrolny glukozy - niski</td><td>kontur Bayera</td><td>Roztwór kontrolny glikemii o niskiej kontroli</td><td></td></tr><tr><td>- normalny</td><td>kontur Bayera</td><td>Normalny</td><td></td></tr><tr><td>roztwór kontrolny glikemii - wysoki</td><td>kontur Bayera</td>Bibuła filtracyjna do chromatografii <td>o wysokiej kontroli</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Whatman</td><td>3001-845</td><td></td></tr><tr><td>Szkło</td><td>VWR&nbsp;</td><td>48393-106</td><td></td></tr><tr><td>Folia akrylowa</td><td>Nitto Denko</td><td>5600</td><td></td></tr><tr><td>Szklana strzykawka (1 ml)</td><td>Hamilton</td><td>1001</td><td></td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>Ploter nożowy New Era</td><td>NE-500</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Sylwetka</td><td>portret</td><td></td></tr><tr><td>Przedwzmacniacz prądowy</td><td>Stanford Research</td><td>SR-570</td><td></td></tr><tr><td>Ocilloskop</td><td>Agilent</td><td>DSO 2420A</td><td></td></tr><tr><td>Generator sygnału</td><td>HP</td><td>HP3324A</td><td></td></tr><tr><td>Lock-in Amplifire</td><td>Stanford Research</td><td>SRS-830</td><td></td></tr><tr><td>Źródło/miernik 2400</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Źródło/miernik 2600</td><td>Keithley</td><td>2436A</td><td></td></tr></tbody></table>

techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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.

Rysunek 3 przedstawia wykres zmierzonego sygnału termicznego. Sygnały wygenerowane w obecności kuleczek wraz z odpowiadającymi im obrazami optycznymi wskazują na pomyślną detekcję mikrosfery z PS w mikrokanale. Przewodność cieplna cieczy przepływającej przez mikrokanał zmienia się ze względu na obecność kuleczek PS. Ta zmiana przewodności cieplnej kanału wpływa na wymianę ciepła w mikrokanale. Zmiana wymiany ciepła w mikrokanale jest wykrywana przez RTD w formie fluktuacji rezystancji (Rysunek 3A...

Tutaj prezentujemy trzy protokoły pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych.

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest wykonanie pomiarów termicznych w celu czułej detekcji w urządzeniach mikroprzepływowych. Trzy różne wykonane urządzenia mikroprzepływowe zostaną wykorzystane do zademonstrowania różnych technik pomiarów termicznych w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych. W drugim kroku detektory temperatury oparte na oporności zostaną sprzężone z urządzeniami, a cały układ zostanie podłączony do komputera.Następnie próbki są wprowadzane do urządzeń, a kontroler aktywuje detekcję termiczną. Wyniki wykazują rozszerzone możliwości detekcyjne pomiaru termicznego w urządzeniach mikroprzepływowych. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak detekcje kolorymetryczna i elektrochemiczna, jest zmniejszenie złożoności pomiaru przy jednoczesnym rozszerzeniu zakresu detekcji.Należy rozpocząć od mikrofabrykacji cienkiej błony z azotku krzemu z zintegrowanym czujnikiem temperatury, stosując technikę opisaną przez vota et al. Gotowe urządzenie należy wypłukać wodą dejonizowaną, a następnie osuszyć strumieniem azotu. Następnie należy wykonać formę z SU-8 z mikrokanałami, wykorzystując wcześniej opisaną technikę, dostosowując długość i szerokość mikrokanałów do zakresu wielkości cząstek, które mają zostać wykryte.Przygotuj PDMS, mieszając 30 ml bazy z trzema ml czynnika sieciującego. Po wymieszaniu usuń pęcherzyki powietrza, poddając próbkę działaniu próżni przez od 5 do 10 minut. Następnie wlej PDMS do formy.Następnie umieść formę na płycie grzejnej w temperaturze 70 °C przez dwie godziny. Po utwardzeniu bardzo ostrożnie odklej PDMS, aby nie uszkodzić mikrokanałów. Używając wycinaka ręcznego, wykonaj otwór o średnicy 1 mm na jednym końcu mikrokanału w celu wprowadzenia rurki PTFE.Użyj wycinaka o średnicy dwóch milimetrów z drugiej strony, aby utworzyć zbiornik. Następnie umieść mikrokanał z wykonanym otworem na urządzeniu i za pomocą mikroskopu w interfejsie elektrycznym wyrównaj czujnik temperatury oporowy w centrum mikrokanału. Podłącz piny elektryczne w miejscach pól kontaktowych i mocno dokręć śruby blokujące.Upewnij się, że piny regulujące wysokość znajdują się na odpowiednich elektrodach urządzenia. Następnie przygotuj kuleczki polistyrenowe, rozcieńczając je w stosunku 1:10 w 100 µL wody destylowanej w probówce o pojemności 1,5 mL. Aby zapewnić neutralną wyporność kuleczek PS, dodaj do mieszaniny 2,7 µL glicerolu i wymieszaj, pipetując roztwór w górę i w dół.Napełnij jednofunkcyjną szklaną strzykawkę o pojemności 1 ml 0,5 ml wody DI. Połącz szklaną strzykawkę z jednym końcem rurki PTFE, a drugi koniec rurki podłącz do kanału mikroprzepływowego. Umieść strzykawkę wypełnioną wodą DI w pompie strzykawkowej sterowanej komputerowo i ustaw prędkość przepływu w zakresie od 5 do 20 µl/min.Wypełnij cały kanał cieczą aż do zbiornika. Następnie do zbiornika wprowadź 10 µL zrównoważonego roztworu kulek, a następnie wprowadź roztwór kulek do mikrokanału poprzez zmianę kierunku przepływu w pompie strzykawkowej. Na koniec włącz detektor temperatury oporowego, przykładając prąd stały o natężeniu 1 mA za pomocą sterowanego komputerowo miernika, mierząc oporność i sortując uzyskane dane.W pierwszej kolejności należy wykonać urządzenie kalorymetryczne na chipie oraz warstwę mikroprzepływową zgodnie z opisem zamieszczonym w innej publikacji. Zmontować urządzenie, umieszczając mikrokalorymetr w uchwycie i wyrównując go względem wlotów i wylotów mikroprzepływowych oraz elementów mocujących warstwy uszczelniającej z PDMS. Następnie należy zamontować piny połączeń elektrycznych w uchwycie urządzenia i zablokować śruby mocujące uchwyt.Następnie podłącz rurki PTFE do obu wlotów oraz do wylotu. Jeden wlot podłącz do pompy strzykawkowej z załadowaną próbką, a drugi zamknij, ponieważ w tym przypadku entalpia nie jest mierzona. Następnie wprowadź 300 µL próbki do szklanej strzykawki i umieść ją w pompie strzykawkowej.W przypadku próbek o wysokiej lepkości, takich jak glicerol i ciecze jonowe, należy stosować bardzo powolne, stałe prędkości przepływu. W przypadku pomiarów dyfuzyjności termicznej należy podłączyć układ pomiarowy zgodnie z przedstawionym schematem.Wprowadź próbkę gliceryny do komory mikrokalorymetru i uruchom zmodyfikowany program sterowany komputerowo. W celu pomiaru czasu przenikania ciepła. Użyj skalibrowanego równania przenikania ciepła przedstawionego tutaj, aby obliczyć dyfuzyjność cieplną na podstawie zmierzonego czasu przenikania ciepła.W celu pomiaru ciepła właściwego należy użyć układu pomiarowego do analizy fal termicznych, przedstawionego tutaj. Tym razem należy wprowadzić ciecz jonową do komory, korzystając z tego samego programu ładowania próbek. Należy uruchomić program analizy fal termicznych, aby uzyskać amplitudę fluktuacji temperatury AC, a następnie obliczyć ciepło właściwe dla każdej próbki cieczy jonowej.Proces ten został opisany bardziej szczegółowo w innym miejscu. W celu detekcji kalorymetrycznej należy mikrofabrykować rezystancyjny detektor temperatury z warstwy niklu o grubości od 40 do 50 nanometrów, zgodnie z wcześniejszym opisem. Następnie należy użyć plotera tnącego do wycięcia papieru w kształcie litery L.Kanały mikrofluidyczne o szerokości 3 mm i długości 10 mm na dłuższym ramieniu oraz 3 mm na ramieniu krótszym. Za pomocą czystej pęsety nałóż na czujnik warstwę obustronnego kleju akrylowego o grubości 5 µm, a następnie umieść na nim papierowy kanał. Używając czystego ostrza, dociśnij papier do urządzenia i usuń wszelkie pęcherzyki powietrza.Dodaj jeden miligram enzymu oksydazy glukozowej do jednego mililitra buforu octanu sodu. Aby przygotować roztwór o stężeniu jeden miligram na mililitr, w razie potrzeby dostosuj pH roztworu do wartości 5,1 za pomocą buforu octanu sodu. Następnie polaryzuj czujnik temperatury RTD prądem stałym o natężeniu jeden miliamper.Aby aktywować detektor i rozpocząć ciągły pomiar rezystancji, nanieś 2 µL przygotowanego roztworu oksydazy glukozowej do centrum miejsca mobilizacji papierowego mikrokanału. Gdy wykryta temperatura zacznie spadać, w celu pomiaru stężenia glukozy wprowadź standardy glukozy do wlotu kanału i zmierz zmianę rezystancji wywołaną reakcją. Powtórz ten eksperyment dla wszystkich różnych roztworów kontrolnych glukozy i zapisz dane dotyczące rezystancji.Na koniec przelicz zmianę rezystancji na stężenie glukozy, korzystając z równań wymienionych w towarzyszącym protokole tekstowym oraz w innych źródłach. Przedstawiona tutaj kulka polistyrenowa przepływa nad detektorem temperatury rezystancyjnym z szybkością przepływu 5 µL/min. W momencie przejścia przez czujnik następuje niewielki skok rezystancji, na podstawie którego można wykryć rozmiar cząsteczki.Przedstawiono tutaj typowy wynik z papierowego kalorymetrycznego czujnika. Po dodaniu oksydazy glukozowej temperatura zaczyna szybko spadać, aż do momentu zetknięcia się enzymu z roztworem glukozy. Wówczas dochodzi do reakcji, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury, po którym następuje ponowne schładzanie.Tę zmianę temperatury można przeliczyć na stężenie glukozy, aby dokładnie zmierzyć poziom glukozy w naczyniach z próbkami. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że konstrukcja i budowa urządzenia odgrywają kluczową rolę w pomiarach termicznych. Parametry termiczne, masa termiczna, oporność końcowa oraz parametry czujnika są szczegółowo opisane w artykułach referencyjnych.

thermal-measurement-techniques-in-analytical-microfluidic-devices

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych mikrofluidowych urządzeniach

Niniejszy protokół opisuje opracowanie urządzenia mikroprzepływowego do badania chemotaksji bakteryjnej w stabilnych gradientach stężeń chemoefektorów.

Urządzenie mikroprzepływowe do ilościowego oznaczania chemotaksji bakteryjnej w stabilnych gradientach stężeń

Mikrofluidyczne platformy kropelkowe są obiecującymi narzędziami do eksperymentów wysokoprzepustowych, ponieważ umożliwiają one niskokosztowe generowanie piko-litrowych, samoczynnie odseparowanych komór z częstotliwością rzędu kHz. Dzięki integracji z szybkimi, czułymi i wysokorozdzielczymi metodami spektroskopii fluorescencyjnej, duże ilości informacji generowanych w tych systemach mogą być efektywnie wydobywane, przetwarzane i wykorzystywane.

Metody detekcji fluorescencyjnej dla mikroprzepływowych platform kroplkowych

Niniejszym opisano procedurę implementacji czujnika współczynnika załamania światła dla częstotliwości terahercowych, opartego na geometrii falowodu z równoległymi płytkami z rowkami. Metoda ta pozwala na pomiar współczynnika załamania światła małej objętości cieczy poprzez monitorowanie przesunięcia częstotliwości rezonansowej struktury...

Mikrofluidyczne detekcje w zakresie terahercowym z wykorzystaniem czujnika z falowodem z równoległych płytek

Tutaj opisujemy procedurę, która wykorzystuje technikę schlierena w mikroskali do pomiaru niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym. Dzięki kalibracji można wyprowadzić rozkład gradientu stężeń na podstawie obrazu mikro-schlierena.

Analiza niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym za pomocą mikroskalowej techniki Schliarenna

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Demonstrujemy użycie rozproszonego czujnika światłowodowego do mapowania pola temperatury mieszających strumieni powietrza. Czujnik oparty na rozpraszaniu Rayleigha generuje tysiące punktów danych wzdłuż jednego włókna, aby zapewnić wyjątkową rozdzielczość przestrzenną, która jest nieosiągalna w przypadku tradycyjnych czujników, takich jak termopary.

Rozproszone czujniki światłowodowe do mapowania pola temperatury o wysokiej rozdzielczości

Opisujemy proces produkcji i testowania termometrów fotonicznych.

Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych

Opisano protokół wytwarzania plastikowych urządzeń mikroprzepływowych z przezroczystymi otworami do obrazowania światłem widzialnym i podczerwonym.

Miękka procedura litograficzna do wytwarzania plastikowych urządzeń mikroprzepływowych z otworami widokowymi przezroczystymi dla światła widzialnego i podczerwonego

Przedstawiono technikę wykorzystującą długości fal 1150 i 1412 nm do pomiaru temperatury wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie.

Technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie

Ten protokół łączy masową fotometrię z nowatorskim systemem mikroprzepływowym do badania interakcji białko-białko o niskim powinowactwie. Podejście to opiera się na szybkim rozcieńczaniu silnie skoncentrowanych kompleksów w roztworze, co umożliwia pomiary o niskim powinowactwie i rozszerza zastosowanie fotometrii masowej.

Analiza tworzenia kompleksów białkowych w stężeniach mikromolowych poprzez sprzężenie mikrofluidyki z fotometrią masową

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Poznaj techniki pomiaru termicznego w mikroprzepływowych urządzeniach analitycznych z wykrywaczami temperatury opartymi na rezystancji. Metoda ta upraszcza pomiary i rozszerza możliwości detekcji w porównaniu do tradycyjnych metod elektrochemicznych.

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Przeglądaj więcej filmów