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Summary

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Abstract

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.

Introduction

Três técnicas de medição térmica de micro-escala diferentes são apresentados neste artigo. As três configurações diferentes de dispositivos microfluidicos são utilizados para a detecção térmica de partículas (TPD), caracterização térmica (condutividade térmica e calor específico), e calorimetria de detecção de reacções químicas e interacções.

Detecção de partículas térmica

Detecção e contagem de partículas em dispositivos microfluídicos é amplamente utilizado para aplicações ambientais, industriais e biológicos ^1. TPD é uma das novas aplicações de medições térmicas em dispositivos microfluídicos ^2. Usando a transferência de calor para a detecção e contagem de partículas com base no tamanho de partícula reduz a complexidade, custo e tamanho do sistema. Em outros métodos, óptica complexos ou medições elétricas complexas e software avançado de processamento de sinal são utilizados para a detecção de partículas.

Chara térmicacterization de substâncias líquidas Usando Micro-Calorimeter

Líquido caracterização térmica da amostra é a segunda aplicação de medição térmica em dispositivos microfluídicos. Executando calorimetria micro-escala vai reduzir o consumo de amostra e aumentar a precisão, oferecendo maior repetibilidade, em comparação com métodos de calorimetria granel convencionais. Os procedimentos de medição de condutividade térmica e calor específico usando o dispositivo micro-calorímetro on-chip são apresentados em outros lugares ^3. Os detalhes da técnica o tempo de penetração de calor para a medição da condutividade térmica e a análise de onda térmica (TWA) para medições específicas de calor em dispositivos de microfluidos são descritos na secção de protocolo.

Dispositivo micro-Base de Papel Calorimétrico Bio-Chemical Detection em

Outra aplicação de medição térmica é a detecção bioquímica em microfluidos baseados em papel. A acção capilar noestrutura porosa de papel transporta o líquido e evita problemas de iniciação bolha em micro-canais. Os mecanismos de detecção mais comuns em dispositivos microfluídicos baseados em papel são técnicas ópticas ou eletroquímicos. Detecção óptica sofre de alta complexidade ea necessidade de software avançado de processamento de imagem para quantificar o sinal detectado. Detecções electroquímica também é limitado dado que eles só podem ser aplicadas a reacções que produzem subprodutos activas. O sensor bioquímica plataforma calorimétrico à base de papel recentemente introduzida ⁴ leva vantagem de o sistema de microfluidos à base de papel e o mecanismo de detecção térmica livre de marcador. Os procedimentos de detecção de glucose através de calorimetria de enzima glucose oxidase (GOD) em uma plataforma de microfluidos à base de papel são apresentados na secção de protocolo.

O objetivo deste artigo é demonstrar as capacidades de técnicas termais de medição em dispositivos microfluídicos. O dispositivo preparation, amostra de líquido detector manuseio e resistência à temperatura (RTD) de excitação do sensor e medição são apresentados nas próximas seções.

Protocol

1. A detecção de partículas térmica (TPD)

1. Prepare o dispositivo de silício micro fabricado com uma película fina membrana de nitreto de silício e sensor de temperatura integrado por micromachining, usando a tecnologia de processamento de semicondutores padrão ^2. Lavar o dispositivo fabricado com deionizada (DI) de água.
   Nota: O processo de fabrico para o detector de partículas térmica dispositivo de microfluidos é explicado na publicação prévia ^2.
2. Para produzir PDMS (polidimetilsiloxano) substratos com micro-canais, criar um molde SU8 utilizando litografia padrão processa ^5.
   Nota: O tamanho do canal é projetado para a dimensão de cada partícula específico.
   1. Adicione PDMS por mistura de uma proporção de 10: 1 da base (30 ml) e agente (3 ml) a cura. Verter o PDMS em que o molde e remover as bolhas por exposição breve a um vácuo (5-10 min).
      Observação: O nível de vácuo não é um valor crítico para a desgaseificação e que deve continuar até que o gás bubbles são totalmente removido do PDMS mistos.
   2. Coloque o molde sobre uma placa quente (~ 70 ° C) durante 2 horas para curar o PDMS. Em seguida, retire as PDMS com muito cuidado para não danificar o molde.
      Observação: O nível de vácuo não é um valor crítico.
3. Usando um manual punch, perfurar um buraco apertado (1 mm) para o tubo de PTFE em uma extremidade. Utilizar um grande punção (2 mm) na outra extremidade para fazer o PDMS um reservatório. Inserir o micro-canal perfurado na parte superior do dispositivo sob o microscópio e alinhar o RTD no centro do micro-canal (Figura 1A).
4. Na interface elétrica, conecte os pinos elétricos nas posições de placa de contato e apertar os parafusos de fixação. Certifique-se os pinos com altura ajustável (Pogo pinos) sentar-se nas almofadas de eletrodo corretas no dispositivo.
5. Dilui-se 10 ul das esferas PS concentradas em 100 ul de água desionizada num tubo de 1,5 ml.
6. Para garantir o PS grânulos permanecem flutuabilidade neutra, adicionar 2,7 mL de glicerol (1,26g / cm ³⁾ a água desionizada para coincidir com a densidade do fluido para o poliestireno (PS) a densidade do grânulo (1,05 g / cm ^3).
7. Ligar o tubo de PTFE para o canal em uma extremidade e a outra extremidade a uma seringa de vidro de 1 ml. Encha a seringa de vidro com 0,5 ml de água DI.
   Nota: ajustada feita selecionando o tamanho soco direito vai evitar vazamentos em tubos.
8. Coloque a água Dl preenchido na seringa da bomba de seringa controlada por computador. Empurrar a água (5-20 ul / min) para dentro do canal para preencher todo o canal com o fluido por todo o caminho para o reservatório.
9. Carregar 10 ml de solução equilibrada grânulo para o reservatório e introduzir a solução do grânulo para o micro-canal, alterando a direcção do fluxo na bomba de seringa.
10. Ligue o RTD por polarização de 1 mA de corrente DC através da controlada computador de origem / metro ao medir a resistência por fonte / metro e classificando os dados medidos (Figura 2).
    Nota: Durante o experimento, o sensor é tendenciosa; por conseguinte, a temperatura é medida continuamente até ao final da experiência de contagem. O sensor RTD é electricamente polarizado através da aplicação de uma corrente DC na gama de 100 uA a 1 mA para medir continuamente a temperatura até ao fim da experiência de contagem. É crítico para selecionar o nível atual uma vez que existe um trade-off entre o nível de ruído e a amplitude do sinal detectado. A bomba de seringa é utilizada para gerar o fluxo em micro-canal. Seleccionar um caudal apropriado para a realização da experiência TPD é limitada à velocidade da medição. Esta velocidade é uma função da constante de velocidade e o dispositivo eléctrico de medida de tempo térmica. Os resultados da experiência de detecção térmica de partículas são mostrados na Figura 3.
11. Utilize o software de processamento de dados desenvolvido (LabVIEW) para converter os dados de resistência medidos a temperatura utilizando a equação de Callendar-Van Dusen ^6.

2. térmicaCaracterização de substâncias líquidas Usando um Micro-calorímetro

1. Neste processo, utilizar o dispositivo no chip calorímetro (Figura 4A) ³ para medir a difusividade térmica e calor específico das amostras.
   Nota: Em cada morrer, há duas câmaras micro-calorímetro (Figura 4B). Cada câmara tem duas entradas e uma saída. E cada uma das câmaras tem um aquecedor e um sensor integrado de IDT.
2. Colocar o dispositivo de micro-calorímetro localizado no suporte do dispositivo (Figura 4C). Alinhe o dispositivo para as entradas e saídas de microfluídicos com os acessórios titular. Coloque a camada de selagem de PDMS na parte superior do dispositivo.
3. Instale pinos de conexão elétrica no suporte do dispositivo e bloquear os parafusos do suporte.
   Nota: Certifique-se os Pogo pinos ajustáveis ​​em altura estão alinhados com as almofadas de contato elétrico.
4. Instale a camada de interface microfluídico com travas magnéticas para o suporte de dispositivo (Figura 4D). Conecte o PTFE tubos para ambas as entradas e da saída. Conectar uma entrada da bomba de seringa carregadas com amostra e fechar a outra, como a entalpia não é medida, neste caso.
5. Utilizar um programa controlado por computador desenvolvido para carregar a amostra para o micro-canais e câmaras.
   Nota: O programa usará fluxo descontinuada para liberar a pressão excessiva no compartimento suspensos de película fina.
   1. Coloque a amostra de 300 ul para a seringa de vidro e coloque-o sobre a bomba de seringa. Use (0,25 mL / min) taxas de fluxo constantes muito lentas para amostras de alta viscosidade (por exemplo, glicerol e líquidos iônicos). Use uma amostra de glicerol para medidas de difusividade térmica e líquidos iônicos para medidas de calor específico.
6. Medições
   1. Medidas de difusividade térmica
      1. Ligue a configuração medições, como mostrado na Figura 5A. Carregar a amostra de glicerol para a câmara de micro-calorímetro. Execute o programa de computador controlado modificado para hea t penetração medição do tempo.
      2. Use a equação penetração de calor calibrado para calcular difusividade térmica a partir do momento penetração de calor medido ^7:
         
         onde α é difusividade térmica, L é a espessura da câmara, p é o factor de calibração da espessura devido à variação do processo de fabricação, e t ₀ é o tempo de penetração de calor.
   2. Medidas de calor específico
      1. Utilizar a configuração de medição TWA como mostrado na Figura 5B. Utilizar o mesmo programa de carregamento de amostra e carregar o líquido iónico na câmara. Executar o programa TWA para obter a amplitude das flutuações de temperatura AC (∂ T _AC) e utilizar a equação de calor específico para calcular o específico, c _p, de calor para cada amostra de líquido iónico ^8:
         "Width =" 117 28eq2.jpg "/>
         onde C é ₀ factor de calibração de potência de entrada, P representa _na potência de entrada, ω é a frequência do sinal de actuação, e m é a massa da amostra líquida.

3. Calorimétrico Detecção Biochemical em dispositivos microfluídicos baseados em papel

1. Use microfabricated película fina (40-50 nm níquel) sensor RTD. Etapas de fabricação para o sensor RTD são explicados em trabalhos anteriores ^4.
2. Para o canal de fabricação baseado em papel ^4, use um plotter faca para cortar o papel canais microfluídicos com um padrão projetado (L-forma). Coloque o papel em cima da esteira de corte, coloque o papel eo tapete de corte para o plotter faca, e usar a receita adequada para cortar os canais microfluídicos de papel ^4.
3. Por dispositivo e canais de integração, utilizar uma camada adesiva acrílica (5 uM) para integrar o papel sobre o sensor RTD. Use a b limpolade para empurrar o papel para o dispositivo e remover as bolhas de ar (Figura 6A). O filme acrílico é uma camada adesiva para segurar o papel sobre sensor RTD.
4. Para a activação da enzima, utilizam tampão acetato de sódio 50 mM para activar a enzima GOD. Adicionar 1 mg de enzima GOD para 1 ml de tampão de acetato de sódio para tornar a solução 1 mg / ml. Ajustar o pH da solução para 5,1.
   Nota: Ajustar a quantidade de ácido acético em tampão de acetato de sódio para manter o pH da solução 5,1.
5. Viés do IDT com 1 mA de corrente DC para ativar o IDT e começar a medir a fonte de resistência / metro continuamente enquanto a resistência se estabelece após o experimento (~ 4 min).
   Nota: A Figura 6B mostra a configuração de medição para o teste calorimétrico à base de papel.
6. Introduzir os 2 ul da solução de GOD preparado para o centro do micro-canal de papel (local imobilização) através de uma pipeta. A temperatura detectada (Figura 7A) deve começar tO diminuir.
   Nota: O efeito de arrefecimento é devido à temperatura mais elevada a operação de RTD e evaporação da amostra em conjunto.
7. Para medir a concentração de glucose, introduzir a solução de controlo de glucose padrão ⁹ para a entrada do canal e medir a alteração da resistência causada pela reacção. Repita essa experiência com todas as soluções de controle de glicose diferentes (alto, normal e baixas concentrações) e salvar os dados de resistência.
8. Utilizando o coeficiente de temperatura de resistência (TCR) por RTD níquel e equação de Callendar-Van Dusen, converter a alteração da resistência à temperatura. Calcula-se a concentração da glicose em cada amostra, considerando a entalpia de reacção da glucose e a enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mol) e utilizando a equação de concentração ^10:
   
   onde n _p é detectada uma concentração molar, C <sub> P é a capacidade de calor do sistema e AT é calculada temperatura.

Representative Results

Discussion

Different thermal measurement techniques in microfluidic devices and their respective setup procedures are presented in this work. These thermal measurement methods such as thermal conductivity monitoring, thermal penetration time, amplitude of AC thermal fluctuations, and amplitude measurement of the generated heat are used to detect specific substances and investigate different reactions and interactions.

The thermal time constant plays a key role in the aforementioned thermal measurement techniques. In microfluidic device design, the optimization of thermal time constants must be considered. The thermal time constant is a function of the thermal mass and the thermal conductivity of the fabricated device, which are dependent on the material of each component. Using thin-film materials and micro-fabrication techniques allows reduction of the thermal mass of the system. The thermal conductivity is improved by using suspended structures and high thermal conductivity materials to reduce the thermal link to ambient conditions. Also it is important to control the ambient temperature to avoid measurement disturbances by using a thermal isolation.

The thin film RTD offers high sensitivity and linear temperature measurement in the introduced devices over a wide range of temperatures. The thermal and the electronic measurement noises are the constraints for the resolution with the introduced techniques.

Microfluidic devices with thermal measurement methods are capable of performing different physical and chemical measurements within the RTD linear measurement range. These techniques could also be useful for different chemical and bio-sample reaction and interaction detection for point-of-care applications and sample characterization. The introduced techniques are able to perform measurements from the tissue level to the single cell level.

Materials

Polydimethylsiloxane (PDMS) 	Dow Corning	Sylgard 184
PS beads – 90 μm	Corpuscular	100265
PS beads – 200 μm	Corpuscular	100271
Glycerol	SigmaAldrich	G5516
GOD enzyme	SigmaAldrich	G7141
Glucose Control Solution – Low	Bayer contour	Low Control
Glucose Control Solution – Normal	Bayer contour	Normal Control
Glucose Control Solution – High	Bayer contour	High Control
Chromatography filter paper	Whatman	3001-845
Glass	VWR 	48393-106
Acrylic Film	Nitto Denko	5600
Glass syringe (1 ml)	Hamilton	1001
Syringe pump	New Era	NE-500
knife plotter	Silhouette	portrait
Current Preamplifier	Stanford Research	SR-570
Ocilloscope	Agilent	DSO 2420A
Signal Generator	HP	HP3324A
Lock-in Amplifire	Stanford Research	SRS-830
Source/meter 2400	Keithley	2400
Source/meter 2600	Keithley	2436A