Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Termiska mätteknik i Analytisk mikroflödessystem enheter

Published: June 3, 2015 doi: 10.3791/52828

Introduction

Tre olika mikroskala termiska mätmetoder presenteras i den här artikeln. De tre olika konfigurationer av mikrofluidikanordningar används för partikeldetektering termisk (TPD), termisk karakterisering (värmeledningsförmåga och specifikt värme), och kalorimetriska upptäcka kemiska reaktioner och interaktioner.

Termisk Partikel Detektion

Upptäcka och räkna partiklar i mikrofluidikanordningar används allmänt för miljön, industriella och biologiska tillämpningar 1. TPD är en av de nya tillämpningar av termiska mätningar i mikrofluidikanordningar 2. Använda värmeöverföring för detektering och räkning av partiklar baserade på partikelstorleken reducerar komplexiteten, kostnaden och storleken på systemet. I andra metoder, komplexa optik eller komplexa elektriska mätningar och avancerad signalbehandling programvara används för att detektera partiklar.

Termisk Characterization av flytande ämnen med hjälp av mikro-Calorimeter

Vätskeprov termisk karakterisering är den andra appliceringen av termisk mätning i mikrofluidikanordningar. Utföra mikroskala kalorimetri kommer att minska provförbrukningen och öka precisionen genom att erbjuda högre repeterbarhet jämfört med konventionella, bulk kalorimetriska metoder. Procedurerna för värmeledningsförmåga och specifik värmemätning med hjälp av on-chip mikrokalori enhet presenteras på annat håll 3. Detaljerna i det värmepenetrationstiden teknik för termisk konduktivitetsmätning och den termiska vågen analys (TWA) för specifika värmemätningar i mikrofluidikanordningar beskrivs i protokollenheten.

Kalorimetrisk Bio-kemiska upptäckt i pappersbaserade mikroflödessystem enhet

En annan tillämpning av värmemätning är biokemisk detektion i pappersbaserade mikrofluidik. Den kapillärverkan iporös struktur av papper bär vätskan och undviker bubbla initiering problem i mikrokanaler. De vanligaste mekanismerna upptäckt i pappersbaserade mikrofluidikanordningar är optiska eller elektrokemiska metoder. Optiska detekterings lider hög komplexitet och behovet av avancerad bildbehandlingsprogram för att kvantisera den detekterade signalen. Elektrokemiska upptäckter är också begränsad eftersom de bara kan tillämpas på reaktioner som producerar aktiva biprodukter. Den nyligen introducerade kalorimetrisk pappersbaserade biokemiska sensorplattform 4 drar fördel av det pappersbaserade mikroflödessystem och värmemekanismen detekteringsetikett fritt. Förfarandena i kalorimetrisk detektion av glukos med användning av glukosoxidas (GOD) enzym i ett pappersbaserat mikroflödes plattform presenteras i protokollenheten.

Målet med detta dokument är att visa möjligheterna med värme mättekniker i mikrofluidikanordningar. Anordningen FÖRBEREDELSEn, är vätskeprov detektor hantering och temperaturbeständighet (RTD) sensor excitation och mätning som presenteras i nästa avsnitt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Termisk Partikel Detection (TPD)

  1. Förbered mikrotillverkade kisel enhet med en tunn film av kiselnitrid membran och integrerad temperatursensor med mikro, användning av standardhalvledarprocessteknik 2. Skölj fabricerade enheten med avjoniserat (DI) vatten.
    Obs: tillverkningsmetod för detektorn termisk partikel mikrofluidikanordning förklaras i föregående offentliggörande 2.
  2. För att producera polydimetylsiloxan (PDMS) substrat med mikrokanaler, skapa en SU8 mögel användning av standardlitografi processer 5.
    Obs: kanalstorlek är avsedd för varje specifik partikeldimension.
    1. Gör PDMS genom blandning av en 10: 1 förhållande av bas (30 ml) och härdningsmedel (3 ml). Häll PDMS på till formen och avlägsna bubblorna genom att kort exponera den för ett vakuum (5-10 min).
      Obs: Vakuumnivån är inte ett kritiskt värde för avgasning och det bör fortsätta tills gas bubbles är helt bort från blandade PDMS.
    2. Placera formen på en värmeplatta (~ 70 ° C) under 2 timmar för att härda PDMS. Då lossnar PDMS mycket försiktigt så att inte skada formen.
      Obs: Vakuumnivån är inte ett kritiskt värde.
  3. Med hjälp av en manuell stans, stansar en snäv hål (1 mm) för PTFE-röret i ena änden. Använd en stor stans (2 mm) vid den andra änden för att göra PDMS en reservoar. Placera det stansade mikrokanal ovanpå anordningen under mikroskop och rikta RTD vid centrum av mikrokanalen (Figur 1A).
  4. I det elektriska gränssnittet, ansluter de elektriska stiften i kontaktdynan positioner och dra upp låsskruvarna. Se till höj- och sänkbara stift (Pogo stift) sitter på rätt elektroderna på enheten.
  5. Späd 10 | il av de koncentrerade PS pärlor i 100 | il avjoniserat vatten i ett 1,5 ml rör.
  6. För att säkerställa PS pärlor förblir neutral flytkraft, tillsätt 2,7 pl glycerol (1,26g / cm 3) till DI-vatten för att matcha den fluiddensiteten till polystyren (PS) vulst densitet (1,05 g / cm 3).
  7. Anslut PTFE-röret till kanalen vid ena änden och den andra änden till en glasspruta 1 ml. Fyll glasspruta med 0,5 ml avjoniserat vatten.
    Obs: stram göras genom att välja rätt punch storlek kommer att undvika läckage i rören.
  8. Placera DI-vatten fyllda sprutan på den datorstyrda sprutpump. Skjut vatten (5-20 ^ il / min) in i kanalen för att fylla hela kanalen med vätska ända till reservoaren.
  9. Belastning 10 | il av balanserad vulst lösning till reservoaren och införa vulsten lösning på den mikro-kanal genom att ändra flödesriktningen på sprutpump.
  10. Slå på RTD genom att förspänna en mA DC ström genom den datorstyrda källa / mätare under mätning av resistansen per källa / meter och sortera de uppmätta data (fig 2).
    Obs: Under experimentet, är sensorn partisk; Därför hålles temperaturen kontinuerligt mätt fram till slutet av räkningsexperiment. RTD sensorn är elektriskt förspänd genom att applicera en DC-ström i området från 100 | jA till 1 mA för att kontinuerligt mäta temperaturen fram till slutet av räkningsexperiment. Det är viktigt att välja rätt nuvarande nivå eftersom det finns en avvägning mellan ljudnivån och den detekterade signalamplituden. Sprutpumpen används för att generera flödet i mikro-kanal. Välja en lämplig flödeshastighet för att utföra TPD experiment är begränsad till hastigheten på mätningen. Denna hastighet är en funktion av den termiska tidskonstanten för enheten och elektrisk mätning hastighet. Resultaten av termisk partikeldetekterings experiment visas i figur 3.
  11. Använd den utvecklade mjukvara för databehandling (LabVIEW) för att omvandla de uppmätta resistensdata till temperatur med Callendar-Van Dusen ekvation 6.

2. TermiskKarakterisering av flytande ämnen med hjälp av en Micro-kalorimeter

  1. I denna process använder on-chip-kalorimeter anordning (figur 4A) 3 för att mäta termisk diffusivitet och det specifika värmet av proverna.
    Obs: På varje dör, det finns 2 mikrokalorimeter kammare (Figur 4B). Varje kammare har 2 inlopp och ett utlopp. Och varje kammare har en värmare och en RTD-sensorn integrerat.
  2. Placera mikrokalori enhet på enheten hållaren (Figur 4C). Rikta in enheten till mikroflödes inlopp och utlopp med innehavaren beslag. Placera PDMS förseglingsskikt ovanpå anordningen.
  3. Installera elektriska anslutningsstift på enheten hållaren och lås innehavaren skruvarna.
    Obs: Se till att höjdjusterbara Pogo stift är i linje med de elektriska kontaktdynor.
  4. Montera mikroflödesgränsskikt med magnetiska spärrarna till enheten hållaren (Figur 4D). Anslut PTFE-rör både inlopp och utlopp. Anslut en inloppet till provbelastade sprutpump och stäng den andra, som entalpin inte mäts i det här fallet.
  5. Använd en utvecklad datorstyrd program för att ladda provet i mikro-kanalen och kamrarna.
    Obs: Programmet kommer att använda avvecklad flöde för att släppa alltför stort tryck på tunnfilms svävande kammaren.
    1. Ladda provet 300 pl i sprutan glaset och placera den på sprutpumpen. Använd mycket långsamt (0,25 pl / min) konstanta flödeshastigheter för hög viskositet prover (t.ex. glycerol och joniska vätskor). Använd en glycerol prov för värmediffusionsförmåga mätningar och joniska vätskor för specifika mätningar värme.
  6. Mätningar
    1. Termiska mätningar diffusivitet
      1. Anslut mätningar uppställning som visas i figur 5A. Ladda glycerol provet till mikrokalorikammaren. Kör modifierade datorstyrda program för hea t penetration tidmätningen.
      2. Använd den kalibrerade värmegenomträngning ekvation för att beräkna värmediffusionsförmåga från den uppmätta värmegenomträngning tid 7:
        Ekvation 1
        där α är värmediffusionsförmågan, L är tjockleken av kammaren, p är tjockleken kalibreringsfaktorn på grund av tillverkningsprocessen variation, och t 0 är värme genomträngningstid.
    2. Särskilda mätningar värme
      1. Använd mätning ställa in TWA som visas i figur 5B. Använd samma prov lastning programmet och laddar den joniska vätskan i kammaren. Kör TWA program för att få amplituden hos AC-temperaturfluktuationer (∂ T AC) och använda de specifika värmeledningsekvationen för att beräkna den specifika, Cp, värme för varje jonisk vätskeprov 8:
        28eq2.jpg "width =" 117 "/>
        där C 0 är ineffekt kalibreringsfaktorn P i är ineffekt, är ω frekvens av aktiveringssignalen, och m är massan av vätskeprovet.

3. Kalorimetrisk Biochemical Detection inom pappersbaserade mikroflödessystem enhet

  1. Använd mikrotillverkad tunn film (40-50 nm nickel) RTD-sensorn. Fabrication steg för RTD-sensorn förklaras i tidigare verk 4.
  2. För pappersbaserade kanalen tillverkning 4, använd en kniv plotter för att skära papperet mikroflödessystem kanaler med utformade mönster (L-form). Placera papper ovanpå skärmattan, ladda papper och skärmattan till kniven plotter, och använda rätt recept för att klippa mikroflödespapperskanalerna 4.
  3. För integrering anordning och kanal, använda ett akrylklisterskikt (5 | j, m) för att integrera papperet på RTD-sensorn. Använd en ren bLade att driva papper till enheten och ta bort luftbubblor (figur 6A). Akryl filmen är ett klisterskikt för att hålla papperet RTD-sensorn.
  4. För enzymaktivering, använd 50 mM natriumacetatbuffert för att aktivera GOD enzymet. Lägg ett mg GOD enzym till en ml natriumacetatbuffert för att göra ett mg / ml lösning. Justera lösningens pH till 5,1.
    Anm: Justera mängden ättiksyra i natriumacetatbuffert att upprätthålla pH i lösningen 5,1.
  5. Bias RTD med 1 mA likström för att aktivera RTD och börja mäta motståndet källa / meter kontinuerligt medan motståndet slår sig ner efter experimentet (~ 4 min).
    Obs: Figur 6B visar mätningen inställningen för pappersbaserade kalorimetrisk testet.
  6. Introducera 2 ul av den beredda GOD lösning på mitten av pappers mikro-kanal (immobilisering plats) via pipett. Den detekterade temperaturen (Figur 7A) måste börja to minska.
    Notera: Denna kylande effekt beror på den högre driftstemperaturen för RTD och indunstning av provet tillsammans.
  7. För att mäta glukoskoncentrationen, införa standardglukos kontrollösning 9 till kanalinloppet och mät motståndsförändringen som orsakas av reaktionen. Upprepa detta experiment med alla olika glukoskontroll lösningar (hög, normal och låga koncentrationer) och spara resistensdata.
  8. Med användning av temperaturkoefficienten för resistansen (TCR) för nickel RTD och Callendar-Van Dusen ekvation, konvertera resistansförändringen till temperaturen. Beräkna koncentrationen av glukos i varje prov genom att betrakta reaktions entalpin hos glukos och GOD enzym (Δ H = -80 kJ / mol) och med användning av koncentrationen ekvation 10:
    Ekvation 3
    där n p detekteras molär koncentration, C AT beräknas temperatur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 visar diagram över den uppmätta värmesignalen. De alstrade signalerna i närvaro av pärlorna med motsvarande optiska bilder visar framgångsrik detektering av de mikrosfär PS pärlorna i mikrokanalen. Den termiska ledningsförmågan hos den vätska som passerar genom mikrokanalen förändras på grund av närvaron av PS-pärlor. Denna förändring i värmeledningsförmågan hos kanalen påverkar värmeöverföringen i mikro-kanalen. Förändringen i värmeöverförings i mikro-kanalen detekteras av RTD i form av resistens fluktuation (figur 3A och B).

Den detekterade signalen kan också påverkas av ändringen i den lokala flödesfältet (Figur 3C och D), vilket kommer att påverka värmeöverföringen i kanalen. Förändringen i den termiska ledningsförmågan kommer att öka temperaturen. Vidare är de lokala hastighetsändringar i mikro-kanal baseradpå de jämförbara dimensionerna hos PS-vulsten till kanalstorleken, vilket orsakar en ökning av den lokala värmeöverföringen. I det här fallet är effekten av förändringen inom värmeöverföring dominerande som den visas som en minskning av detekterade motståndet. Därför är viktigt i TPD experiment korrespondens kanal storlek med partikelstorlek. Föreliggande resultat demonstrerar förmågan hos TPD teknik för att räkna och identifiera storleken på partiklarna.

Det uppmätta värdet för termisk diffusivitet av glycerol är 9,94 x 10 -8 m 2 / sek, vilket är inom 8% av det teoretiska värdet. Tabell 1 visar de uppmätta värdena för olika joniska vätskeprover av den införda metoden. För att kontrollera riktigheten i mätningen, den specifika värmen i vatten mätt med samma teknik med mindre än 5% fel.

Den detekterade temperatursignalen på grund av den exoterma reaktionen av glukos och GOD visas i figur 7A. Than reaktionsområde på design mikro-kanal är 45% av den totala arealen. För att beräkna koncentrationen, kommer endast denna del av glukos vägas. Den ändliga hastigheten av glukos oxidationsreaktionen anses också som en reaktionskinetik faktor. Jämföra den detekterade koncentrationen med tillgängliga kommersiella glukosmätare resultat (figur 7B) visar högre precision (<30%) i den tillverkade enheten.

Figur 1
Figur 1. Mikrofluidumanordning för termisk detektering partikel. (A) enhet schematisk. (B) Tvärsnitt av partikel upptäckt med hjälp av mätmetoden termiska. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 2. experimentuppställning för partikeldetektering termiska (TPD). En datorstyrd källa / mätare används för att snedvrida RTD och mät motståndet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Resultat från termisk detektionspartikel. (A) Den detekterade motståndsändringen när 90 fim PS vulst passerar RTD sensorn med flödeshastighet av 5 | j, l / min. Det förklaras förändringen i värmeledningsförmåga ökar temperaturen och visas i form av motstånd förändring i RTD resistansmätning. (B) Den optiska bilden avSamma kula i figur 3A passerar sensorn. (C) Den detekterade motstånd förändring när 200 pm PS pärla passerar RTD sensorn med flödeshastighet på 5 ul / min. (D) Den optiska bilden av samma kula i figur 3C passerar sensorn. Denna siffra har modifierats med tillstånd från [2]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Den on-chip fabricerade mikrokalorimeter och enheten hållaren. (A) Ett fotografi av mikrobearbetad 3-dimensionella on-chip suspenderade mikrokalorimeter anordning. Chipet har två identiska kamrar, var och en har två inlopp och ett utlopp. (B) schematIC i den mikrobearbetade mikrokalorimeter kammaren. Den mikrobearbetade RTD visas på den övre ytan av den tillverkade enheten. (C) Mikrokalori enheten placeras på enheten hållaren. (D) Den slutliga inställningen av mikrokalori med elektriska och mikroflödes anslutningar. Resultatet av TWA används för beräkning av värmekapaciteten. Denna siffra har modifierats med tillstånd från [3]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. De elektriska anslutningar värmemätning installation med mikrokalori enhet. (A) Mätningen setup för värmegenomträngning tidsanalys. Den uppmätta värmegenomträngning tid är användningen d för beräkning värmeledningsförmåga. (B) Mätningen setup för termisk våg analys. Resultatet av TWA används för beräkning värmekapacitet. Denna siffra har modifierats med tillstånd från [3]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
Figur 6. (A) Schemat för pappersbaserad anordning. (B) Mätningen setup för pappersbaserade kalorimetrisk detektering av glukos. Med den här inställningen är en LabVIEW styrd källa / meter (Keithley 2600) används för att påverka RTD och mäta temperaturen samtidigt. Den uppmätta temperaturen och tiden skaftet kommer att lagras under det att den mäts. I detta experiment Keithley 2600 används för snabbare mätning.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7
Figur 7. glukosdetekteringsresultat med pappersbaserade kalorimetrisk sensor. (A) utsignalen från glukos och GUD enzymreaktionen. (B) Slutlig detekteringsresultat av glukoskontrollprover med pappersbaserade enhet jämfört med kommersiella glukosmätare resultat. Denna siffra har återanvänts med tillstånd från [4]. "Med hänsyn till data" beräknas koncentrationen av glukos i experimenten detektions.

Prov Mätt Specifik värme (J / g K)
1 [Eméer] [Tf2N] 2,75
2 [BMIM] [PF6] 2,83
3 [HMIM] [PF6] 0,86
4 [OMIM] [PF6] 2,55

Tabell 1. Det uppmätta specifika värmen i joniska vätskor med hjälp av TWA-teknik med on-chip mikrokalorimeter. Denna tabell har ändrats med tillstånd från publicerade data [3].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Delvis ekonomiskt stöd för detta arbete lämnades av US National Science Foundation genom Industri / universitet kooperativa Research Center på Vattenutrustning & policy som finns vid University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0.968.887) och Marquette University (IIP-0.968.844). Vi tackar Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang och Shankar Radhakrishnan för bra diskussioner.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering Thermal Particle Detection Thermal Wave Analys Heat genomträngningstid termiska tidskonstant Entalpi analys värmeledningsförmåga och specifika värme
Termiska mätteknik i Analytisk mikroflödessystem enheter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Davaji, B., Lee, C. H. ThermalMore

Davaji, B., Lee, C. H. Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (100), e52828, doi:10.3791/52828 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter