Методическая статья

Тепловые методы измерения в аналитической микрофлюидных устройств

DOI:

10.3791/52828

⸱

3 июня 2015 г.

 , 
1Nanoscale Devices Laboratory, Marquette University

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы представляем три протокола для тепловых измерений в микрофлюидных устройствах.

Аннотация

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

Методы термических измерений используются для многих приложений, таких как термическое определение характеристик материалов и обнаружение химических реакций. Методы микромеханической обработки позволяют уменьшить термическую массу изготавливаемых конструкций и позволяют выполнять высокочувствительные тепловые измерения в микро- и наноразмерных устройствах. Сочетание методов тепловых измерений с микрофлюидными устройствами позволяет выполнять различные аналитические измерения с низким расходом образца и сокращенным временем измерения за счет интеграции миниатюрной системы на одном чипе. В данной работе представлены процедуры термических измерений для обнаружения частиц, определения характеристик материалов и обнаружения химических веществ.

Введение

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

Три различных микро-масштабе методы измерения тепловых представлены в этой статье. Три различные конфигурации устройств микрожидкостных используются для обнаружения тепловой частиц (ТПД), тепловой характеристике (теплопроводность и теплоемкость), и калориметрического обнаружения химических реакций и взаимодействий.

Обнаружение Тепловая частиц

Обнаружение и подсчет частиц в микрофлюидных устройств широко используется для экологических, промышленных и биологических приложений 1. TPD является одним из новых приложений тепловых измерений в микрожидкостных устройств 2. Использование теплопередачу для обнаружения и подсчета частиц на основе размера частиц уменьшает сложность, стоимость и размер системы. В других методов, сложных или комплексных оптики электрических измерений и современное программное обеспечение обработки сигналов используются для детектирования частиц.

Тепловая Чараcterization жидких веществ с помощью Micro-калориметр

Жидкость образец тепловой характеристика Второе применение теплового измерения в микрофлюидных устройств. Выполнение микро-масштабе калориметрии снизит потребление образец и увеличить точность, предлагая более высокую повторяемость по сравнению с обычными методами, сыпучих калориметрии. Процедуры для теплопроводности и удельной тепловой измерения с использованием микро-калориметр устройство на чипе представлены в другом месте 3. Подробная информация о технике времени проникновения тепла для измерения теплопроводности и термического анализа волны (TWA) для измерений теплоемкости в микрофлюидных устройств описаны в разделе протокола.

Калориметрическое Био-химического обнаружения в бумажной Микрожидкостных Устройство

Другое применение теплового измерения биохимические обнаружение в бумажных микрофлюидики. Капиллярное действие впористая структура из бумаги несет жидкость и позволяет избежать проблем пузырь инициации в микро-каналов. Наиболее распространенные механизмы обнаружения в бумажных микрофлюидных устройств оптических или электрохимических методов. Оптическое детектирование страдает от высокой сложности и необходимость современного программного обеспечения для обработки изображений для квантования обнаруженный сигнал. Электрохимические обнаружений также ограничены, так как они могут быть применены только к реакциям, которые производят активные побочных продуктов. Недавно представила Калориметрический бумажной основе биохимического датчика платформа 4 использует бумажной основе микрофлюидного системы и механизма термического обнаружения этикеток бесплатно. Процедуры калориметрического выявления глюкозы с использованием оксидазы глюкозы (Бога) фермент в бумажной микрофлюидного платформы представлены в разделе протокола.

Целью данной работы является демонстрация возможности методов измерения тепловых в микрофлюидных устройств. Препараты устройствон, детектор обращение и термостойкость жидкий образец (RTD), возбуждение датчика и измерение представлены в следующих разделах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Тепловая обнаружения частиц (ТПР)

  1. Подготовка микро-изготовлены кремния устройства с тонкопленочной мембраны из нитрида кремния и встроенным датчиком температуры по микрообработке, используя стандартные технологии полупроводников 2 обработки. Промойте изготовленный устройство с деионизированной (DI) воды.
    Примечание: Способ изготовления для детектора тепловых частиц микрофлюидного устройства объясняется в публикации предварительного 2.
  2. Для получения полидиметилсилоксановые (PDMS) подложек с микро-каналов, создать SU8 формы, используя стандартные процессы литографии 5.
    Примечание: размер канала предназначен для измерения каждого конкретного частицы.
    1. Сделать PDMS путем смешивания 10: 1 отношение основания (30 мл) и отвердитель (3 мл). Вылейте PDMS на в пресс-форму и удалить пузырьки кратко подвергая его воздействию вакуума (5-10 мин).
      Примечание: уровень вакуума не критическое значение для дегазации и она должна продолжаться до тех пор газа Bubbле полностью удалена из смешанных PDMS.
    2. Поместите форму на плиту (~ 70 ° C) в течение 2 ч, чтобы вылечить PDMS. Тогда снимайте PDMS очень осторожно, чтобы не повредить форму.
      Примечание: Уровень вакуума не критическое значение.
  3. Использование ручного удар, удар жесткий отверстие (1 мм) для PTFE трубки на одном конце. Использование большого удар (2 мм) на другом конце, чтобы сделать PDMS резервуара. Поместите перфорированную микро-канал на верхней части устройства под микроскопом и выровнять RTD в центре микро-канала (фиг.1А).
  4. В электрическом интерфейсе, подключения электрических контактов на контактных позиций площадку и подтянуть стяжные винты. Убедитесь, что регулируемые по высоте штифты (Pogo контактов) сидеть на правильных электродных пластин на устройстве.
  5. Развести 10 мкл концентрированного бусин PS в 100 мкл дистиллированной воды в 1,5 мл пробирку.
  6. Для обеспечения PS шарики остаются нейтральную плавучесть, добавить 2,7 мкл глицерина (1.26г / см 3) в деионизированной воде, чтобы соответствовать плотности жидкости к полистирол (PS) плотности шарика (1,05 г / см 3).
  7. Подключение ПТФЭ трубку с каналом на одном конце, а другой конец к стекл нным шприцем 1 мл. Заполните стеклянный шприц 0,5 мл деионизованной воды.
    Примечание: плотно прилегающие, сделанное выбора правильного размера удар будет избежать утечки в трубах.
  8. Поместите DI воды заполненные шприц на компьютерным управлением шприцевой насос. Нажмите воды (5-20 мкл / мин) в канал для заполнения весь канал с жидкостью всю дорогу до водохранилища.
  9. Нагрузка 10 мкл сбалансированного борта решения резервуара и ввести шарик решение микро-канал, изменяя направление потока на шприцевой насос.
  10. Включите RTD от смещения 1 мА постоянного тока через управляемый компьютером источника / измерителя при измерении сопротивления по источника / измерителя и сортировки измеренные данные (рисунок 2).
    Примечание: В ходе эксперимента, датчик смещен; Поэтому температура не постоянно измеряется до конца эксперимента подсчета. Датчик RTD электрически смещены с применением постоянного тока в диапазоне от 100 мкА до 1 мА, чтобы непрерывно измерять температуру до конца эксперимента подсчета. Это имеет решающее значение для выбора правильного уровня текущего, так как есть компромисс между уровнем шума и амплитуды обнаруженного сигнала. Шприцевой насос используется для генерации потока в микро-канал. Выбор соответствующего расхода для проведения эксперимента TPD ограничена скоростью измерения. Эта скорость зависит от тепловой постоянной времени устройства и электрической скорости измерений. Результаты эксперимента детектировани с тепловой частиц показаны на рисунке 3.
  11. Используйте разработанного программного обеспечения для обработки данных (LabVIEW) для преобразования измеренных данных сопротивления от температуры с помощью уравнения Ван-Каллендара Дьюзена 6.

2. ТепловаяХарактеристика жидких веществ с использованием микро-калориметр

  1. В этом процессе, с помощью калориметра устройство на кристалле (фиг.4А) 3 для измерения температуропроводности и теплоемкости образцов.
    Примечание: На каждом умереть, есть 2 микро-калориметр камеры (рис 4б). Каждая камера имеет 2 входов и один выход. И каждая камера имеет нагреватель и датчик RTD интегрированный.
  2. Поместите микро-калориметр устройство на держателе устройства (рис 4C). Совместите устройство к микрофлюидных входов и выходов с держателем арматуры. Поместите уплотнения PDMS слой на верхней части устройства.
  3. Установите электрические контакты подключения на держателе устройства и зафиксируйте винты держателя.
    Примечание: Убедитесь, что регулируемые по высоте штифты Pogo выровнены с электрическими контактными площадками.
  4. Установите микрожидкостных слой интерфейса с магнитными защелками держателю устройства (рис 4D). Подключите PTFE трубки с обоих входных отверстий и выходное отверстие. Подключение, одно впускное отверстие для образца нагруженных шприцевой насос и закрыть другую, а энтальпия измеряется не в этом случае.
  5. Использование разработанного компьютерным управлением программы, чтобы загрузить образец в микро-канал и камер.
    Примечание: Программа будет использовать прекращен поток выпустить избыточное давление на тонкопленочных приостановлено камеры.
    1. Загрузите образец 300 мкл в стеклянном шприце и поместить его на шприцевой насос. Используйте очень медленные (0,25 мкл / мин) постоянные скорости потока для высоких образцов вязкости (например, глицерин и ионных жидкостей). Используйте глицерин образец для измерений температуропроводности и ионных жидкостей для измерений теплоемкости.
  6. Измерения
    1. Измерения температуропроводности
      1. Подключите установку измерений, как показано на рисунке 5А. Загрузите глицерин образец для микро-калориметра камеры. Запустите измененный компьютерным управлением программы слух т проникновения измерение времени.
      2. Используйте калиброванный уравнение притока тепла для расчета температуропроводности с момента проникновения тепла измеренное 7:
        figure-protocol-1
        где α это температуропроводности, L является толщина камеры, р калибровочный коэффициент толщина из-за изменения процесса изготовления, и т 0 время проникновения тепла.
    2. Измерения теплоемкости
      1. Используйте настройки измерения TWA, как показано на рисунке 5B. Используйте ту же программу загрузки образца и загрузить ионной жидкости в камеру. Запустите программу TWA, чтобы получить амплитуду колебаний температуры переменного тока (AC ∂ T) и использовать конкретные уравнения теплопроводности для расчета конкретных, C P, тепла для каждой ионной жидкости образца 8:
        28eq2.jpg "ширина =" 117 "/>
        где С 0 входной коэффициент калибровки мощности, Р является потребляемая мощность, ω является частотой сигнала срабатывания и м масса жидкого образца.

3. Биохимический Калориметрическое обнаружения в бумажных микрожидкостных устройств

  1. Используйте микроизготовленном тонкая пленка (40-50 нм) никель датчик RTD. Изготовление шаги для датчика RTD объясняются в предыдущих работах 4.
  2. Для бумажной изготовления 4 канала, используйте нож, чтобы сократить плоттер бумагу микроканалов с проектной рисунком (L-формы). Положите бумагу на верхней части режущего коврик, загрузите бумагу и режущий мат нож плоттера, и использовать соответствующий рецепт, чтобы сократить микрожидкостных бумаги каналы 4.
  3. Для интеграции устройств и каналов, использовать акриловый клей слой (5 мкм), чтобы интегрировать бумаги на датчике RTD. Используйте чистую бобременял нажать бумагу в устройство и удалить пузырьки воздуха (рисунок 6а). Акриловая пленка Клеевой слой для удержания бумаги на датчике RTD.
  4. Для активации фермента, используют 50 мМ натрий-ацетатного буфера, чтобы активировать фермент GOD. Добавить 1 мг фермента GOD к 1 мл буфера ацетата натрия, чтобы сделать 1 мг / мл раствора. Доводят рН раствора до 5,1.
    Примечание: Для регулировки количества уксусной кислоты в буфере ацетата натрия, чтобы поддерживать рН раствора 5,1.
  5. Смещение RTD с 1 мА постоянного тока тока, чтобы активировать RTD и начать измерения сопротивления источника / измерителя непрерывно, пока сопротивление располагается после эксперимента (~ 4 мин).
    Примечание: 6В показана установка измерения для теста калориметрической бумажных документов.
  6. Введем 2 мкл приготовленного раствора бог центре бумаги микро-канал (иммобилизация площадке, евро) через пипетку. Определенная температура (7А) должен начать тО уменьшаться.
    Примечание: Этот охлаждающий эффект за счет более высокой рабочей температуры от РТД и испарения образца вместе.
  7. Для измерения концентрации глюкозы, вводить стандарт управления раствор глюкозы с 9 до входе в канал и измерять изменение сопротивления, вызванное реакцией. Повторите этот эксперимент со всеми различных решений управления глюкозы (высокий, нормальный, низких концентрациях) и сохраните данные сопротивления.
  8. Использование температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для никеля RTD и уравнения Каллендара-Ван Dusen, преобразовать изменение сопротивления с температурой. Рассчитайте концентрацию глюкозы в каждом образце с учетом энтальпии реакции глюкозы и бог фермента (Δ Н = -80 кДж / моль) и используя уравнение концентрации 10:
    figure-protocol-2
    где п р обнаружен молярную концентрацию, C & Delta; t рассчитывается температуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Рисунок 3 показывает график измеренной тепловой сигнал. Сформированные сигналы в присутствии шариков с соответствующими оптических изображений показывают успешное обнаружение микросфер ПС бусин в микро-канал. Теплопроводность жидкости, проходящей через микро-канал меняется из-за присутствия гранул полистирола. Это изменение в теплопроводности канала влияет на теплопередачу в микро-канал. Изменение теплообмена в микро-канал обнаружен RTD в форме сопротивления колебания (Фиг.3А и ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В данной работе представлены различные методы тепловых измерений в микрофлюидных устройствах и соответствующие процедуры их настройки. Эти методы тепловых измерений, такие как мониторинг теплопроводности, времени проникновения тепла, амплитуда тепловых флуктуаций переменного тока и измерение амплитуды выделяемого тепла, используются для обнаружения конкретных веществ и исследования различных реакций и взаимодействий.

Термическая постоянная времени играет ключевую роль в вышеупомянутых методах...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

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

Частичное финансовая поддержка для этой работы была предоставлена ​​Национальным научным фондом США через кооперативного исследовательского центра промышленность / университет по водным оборудования и Политика расположенный в Университете Висконсин-Милуоки (МИП-0968887) и Университета Маркетт (МИП-0968844). Мы благодарим Гленна М. Уокер, Woo-Jin Chang и Шанкар Радхакришнан за полезные обсуждения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Полидиметилсилоксан (PDMS) Бусины Dow CorningSylgard 184
PS - 90 μ mБусины корпускулярные100265
ПС - 200 μ mКорпускулярный100271
глицеринSigmaAldrichG5516
GODSigmaAldrichG7141
Раствор для контроля глюкозы - Низкийконтур БайераНизкий контроль
глюкозы Раствор для контроля глюкозы - Нормальныйконтур БайераНормальный контроль
глюкозы Раствор для контроля глюкозы - Высокийконтур БайераФильтр-бумага для хроматографии с высоким контролем
ватман3001-845
СтеклоVWR 48393-106
Акриловая пленкаNitto Denko5600
Стеклянный шприц (1 мл)Hamilton1001
Шприцевой насосNew EraNE-500
Ножевой плоттерСилуэтпортретный
Предусилитель токаStanford ResearchSR-570
ОциллографAgilentDSO 2420A
Генератор сигналовHPHP3324A
Блокировка AmplifireStanford ResearchSRS-830
Источник/метр 2400Keithley2400
Источник/метр 2600Keithley2436A
фермент

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи