Termiske Måleteknikk i Analytiske microfluidic enheter

Introduction

Tre forskjellige mikro-skala termiske måleteknikker er presentert i denne artikkelen. De tre forskjellige konfigurasjoner av microfluidic enheter brukes for termisk partikkeldeteksjon (TPD), termisk karakteristikk (termisk ledningsevne og spesifikk varme) og kalorimetrisk deteksjon av kjemiske reaksjoner og interaksjoner.

Termisk Particle Detection

Oppdage og telle partikler i microfluidic enheter er mye brukt for miljø, industrielle og biologiske anvendelser ^1. TPD er en av de nye anvendelser av termiske målinger i microfluidic enheter ^2. Ved hjelp av varmeoverføring for detektering og telling av partikler basert på partikkelstørrelsen reduserer kompleksiteten, omkostningene og størrelsen av systemet. I andre fremgangsmåter, komplekse optikk eller komplekse elektriske målinger og avansert signalbehandling programvare blir brukt til å detektere partikler.

Termisk Characterization av flytende stoffer ved hjelp av mikro-Calorimeter

Væskeprøve termisk karakterisering er den andre anvendelsen av termisk måling i microfluidic enheter. Utføre mikro-skala-kalorimetri vil redusere prøven forbruket og øke presisjonen ved å tilby bedre repeterbarhet, sammenlignet med konvensjonelle metoder, bulk kalorimetri. Prosedyrene for varmeledningsevne og spesifikk varmemåling ved hjelp av on-chip mikro-kalori enhet presenteres andre steder ^3. Detaljene i varmepenetreringstiden teknikk for måling av varmeledningsevnen og den termiske bølge analyse (TWA) for spesifikke varme målinger i microfluidic anordninger er beskrevet i protokollen delen.

Kalori Bio-Chemical Detection i papirbasert mikrofluid Device

En annen anvendelse av termisk måling er biokjemisk deteksjon i papirbaserte MicroFluidics. Den kapillærvirkning iporøs struktur av papir bærer væsken og unngår boble initiering problemer med mikrokanaler. De vanligste gjenkjenning i papirbaserte microfluidic enheter er optiske eller elektrokjemiske teknikker. Optisk deteksjon lider av høy kompleksitet og nødvendigheten av avansert bildebehandlingsprogram for å kvantisere det detekterte signal. Elektro påvisninger er også begrenset fordi de kan bare brukes på reaksjoner som produserer aktive biprodukter. Den nylig introduserte kaloripapirbasert biokjemisk sensor plattform ^fire utnyttet papirbaserte mikrofluidsystem og etiketten frie termisk deteksjon mekanisme. Fremgangsmåtene i kalorimetrisk påvisning av glukose ved bruk av glukoseoksidase (GOD) enzymet i en papirbasert mikrofluid plattform er presentert i protokollen delen.

Målet med denne artikkelen er å vise mulighetene termiske måleteknikker i microfluidic enheter. Enheten agingn, er væskeprøvehåndtering og motstand temperatur detektor (RTD) sensor eksitasjon og måling presentert i de neste avsnittene.

Protocol

1. Termisk Particle Detection (TPD)

1. Forbered mikro-fabrikkert silisium enhet med en tynn-film siliciumnitrid membran og integrert temperatursensor ved mikromaskinering, med standard halvlederteknologi ^2. Skyll fremstille anordningen med deionisert (DI) vann.
   Merk: fabrikasjon metode for termisk partikkeldetektor microfluidic enheten er forklart i tidligere publikasjon ^to.
2. Å produsere polydimethylsiloxane (PDMS) substrater med mikro-kanaler, opprette en SU8 mold ved hjelp av standard litografi behandler ^fem.
   Merk: Størrelsen Kanalen er designet for dimensjon hver enkelt partikkel.
   1. Gjør PDMS ved å blande et 10: 1 forhold av base (30 ml) og herder (3 ml). Hell PDMS på til formen og fjerne boblene ved kort å utsette den for et vakuum (5-10 min).
      Merk: vakuumnivå er ikke en kritisk verdi til avgassing og det bør fortsette inntil gass Bubbles er helt fjernet fra blandede PDMS.
   2. Plasser formen på en kokeplate (~ 70 ° C) i 2 timer for å herde PDMS. Deretter skrelle av PDMS veldig forsiktig for ikke å skade formen.
      Merk: Vakuumnivået er ikke en kritisk verdi.
3. Ved hjelp av en manuell kraft, slå et trange hullet (1 mm) for PTFE-røret i den ene enden. Bruk en stor dor (2 mm) ved den andre enden for å gjøre PDMS et reservoar. Plasser stanset mikro-kanal på toppen av enheten under mikroskop og juster RTD i sentrum av mikrokanalen (figur 1A).
4. I det elektriske grensesnittet, koble de elektriske pins på kontakt pad stillinger og stramme opp låseskruer. Kontroller at høydejusterbare pins (Pogo pins) sitter på de riktige elektrodene på enheten.
5. Fortynn 10 ul av den konsentrerte PS perler i 100 mL DI-vann i et 1,5 ml rør.
6. For å sikre PS perler forbli nøytral oppdrift, tilsett 2,7 mL av glyserol (1,26g / cm ³⁾ til avionisert vann for å matche den fluidtettheten til polystyren (PS) bead tetthet (1,05 g / cm ^3).
7. Koble PTFE-røret til kanalen i den ene enden og den andre enden til en 1 ml glassprøyte. Fyll glass sprøyte med 0,5 ml DI-vann.
   Merk: Stram gjort ved å velge riktig slag størrelse vil unngå lekkasje i rør.
8. Plasser DI vannfylt sprøyte på datastyrt sprøytepumpe. Presse vannet (5-20 ul / min) i kanalen for å fylle hele kanalen med væske hele veien til reservoaret.
9. Last 10 ul perle balanserte løsningen til reservoaret og innføre vulsten løsningen til mikro-kanalen ved å endre strømningsretningen på sprøytepumpe.
10. Slå på RTD ved å forspenne en av mA likestrøm gjennom maskinen med styrt kilde / meter, mens måle motstanden av kilden / meter, og sortering av de målte data (figur 2).
    Merk: Under eksperimentet er partisk sensoren; Derfor blir temperaturen fortløpende målt inntil slutten av tellingen eksperimentet. RTD-sensor er elektrisk forspent ved å påføre en likestrøm i området fra 100 uA til 1 mA for kontinuerlig å måle temperaturen til slutten av telle eksperimentet. Det er viktig å velge riktig dagens nivå siden det er en avveining mellom støynivå og oppdaget signal amplitude. Den sprøytepumpe brukes til å generere strømmen i mikrokanalen. Valg av en passende strømningshastighet for å utføre den TPD eksperimentet er begrenset til hastigheten av målingen. Denne hastigheten er en funksjon av den termiske tidskonstant for enheten og elektrisk hastighetsmåling. Resultatene av termisk partikkeldeteksjon eksperiment er vist i figur 3.
11. Bruk utviklet databehandlingsprogramvare (LabVIEW) for å konvertere de målte resistensdata til temperatur ved hjelp av Callendar-Van Dusen ligning ^6.

2. TermiskKarakterisering av flytende stoffer Bruke en Micro-kalori

1. I denne prosessen, bruker on-chip kalorianordning (figur 4A) ³ for å måle den termiske diffusivitet og den spesifikke varme av prøvene.
   Merk: På hver dør, det er 2 mikrokalori kamre (Figur 4B). Hvert kammer har to innløp og ett utløp. Og hvert kammer har en ovn og en RTD sensor integrert.
2. Plasser mikrokalorienhet på enheten holderen (Figur 4C) den. Rett inn apparatet til microfluidic innløp og utløp med holderen beslag. Plasser PDMS forseglingen lag på toppen av enheten.
3. Installere elektriske tilkoblingspinnene på bilholderen og lås holder skruene.
   Merk: Kontroller at høydejusterbare Pogo pinnene er på linje med de elektriske kontakt pads.
4. Installer microfluidic grensesnittet lag med magnetlåsene til enheten holderen (Figur 4D) den. Koble PTFE rør til både innløp og utløp. Koble et innløp til prøven belastede sprøytepumpe og lukke den andre, som entalpi ikke måles i dette tilfellet.
5. Bruk en utviklet datastyrt program for å laste prøven inn i mikro-kanalen og kamre.
   Merk: Programmet vil bruke avviklet flyt for å frigjøre stort trykk på tynnfilm suspendert kammeret.
   1. Laste 300 mL prøve i glasset sprøyte og plassere den på sprøytepumpe. Bruk veldig sakte (0,25 mL / min) konstant strømningsrater for høy viskositet prøver (f.eks glyserol og ioniske væsker). Bruk en glyserol prøve for termiske diffusjonsverdier målinger og ioniske væsker for spesifikke varme målinger.
6. Målinger
   1. Termiske diffusjonsverdier målinger
      1. Koble målinger oppsett som vist i figur 5A. Laste glycerol prøven til mikro-kalorikammeret. Kjør den modifiserte datastyrt program for hea t penetrasjon tidsmåling.
      2. Bruk kalibrert varmegjennomslag formel for å beregne termisk spredningsevne fra den målte varmegjennomslag tid ^7:
         
         hvor α er termisk diffusivitet, L er tykkelsen av kammeret, er p tykkelsen kalibreringsfaktor på grunn av fremstillingsprosessen variasjon, og t er ₀ varme penetreringstiden.
   2. Spesifikke varmemålinger
      1. Bruk TWA måleoppsett som vist i figur 5B. Bruk den samme prøven lasting program og laste ionisk væske i kammeret. Kjør TWA program for å få amplituden av vekselstrømtemperatursvingninger (∂ T _AC) og bruke den spesifikke varmen formel for å beregne den spesifikke, c _p, varme for hver ionisk væskeprøve ^8:
         28eq2.jpg "width =" 117 "/>
         hvor C ₀ er inngangseffekt kalibreringsfaktor, P er _i inngangseffekt, er ω frekvensen av aktiveringssignalet, og m er massen av væskeprøven.

3. Kalorimetrisk Biokjemisk Detection i papirbaserte mikrofluid Device

1. Bruk microfabricated tynn film (40-50 nm nikkel) RTD sensor. Fabrikasjon skritt for RTD sensor er forklart i tidligere arbeider ^fire.
2. For papirbasert kanal fabrikasjon ^4, bruk en kniv plotter å kutte papiret microfluidic kanaler med en konstruert mønster (L-form). Legg papiret på toppen av skjærematte, legger du i papiret og skjærematte til kniven plotter, og bruk riktig oppskrift for å kutte microfluidic papir kanaler ^4.
3. For enheten og kanal integrasjon, brukes et akrylklebesjikt (5 um) for å integrere papiret på RTD-sensor. Bruk en ren bLade å skyve papiret til enheten og fjerne luftbobler (figur 6A). Akrylfilmen er et klebende lag for å holde papiret i løpet av RTD-sensor.
4. For enzymaktivering ved å bruke 50 mM natrium-acetat-buffer for å aktivere den GOD-enzym. Tilsett 1 mg av GOD-enzym til en ml natriumacetat-buffer for å gjøre at 1 mg / ml oppløsning. Juster pH på løsningen til 5,1.
   Merk: Juster mengden av eddiksyre i natriumacetatbuffer for å opprettholde pH i løsningen 5,1.
5. Bias RTD med 1 mA DC strøm for å aktivere RTD og begynne å måle motstanden kilden / meter kontinuerlig mens motstanden slår seg ned etter forsøket (~ 4 min).
   Merk: Figur 6B viser målingen oppsettet for den papirbaserte kalori test.
6. Introdusere 2 ul av den tilberedte GOD løsning på midten av papirmikrokanalen (immobilisering side) via pipette. Den oppdaget temperatur (figur 7A) må starte to avta.
   Merk: Denne kjølende effekt er på grunn av den høyere driftstemperaturen for RTD og fordampning av prøven sammen.
7. For å måle glukosekonsentrasjonen, innføre standard glukosekontroll løsning ⁹ til kanalinnløpet og måle motstandsendringen forårsaket av reaksjonen. Gjenta dette eksperimentet med alle forskjellige glukose kontroll løsninger (høy, normal og lave konsentrasjoner) og lagre resistensdata.
8. Ved hjelp av temperaturkoeffisienten for motstanden (TCR) for nikkel RTD og Callender-Van Dusen ligning, omdanne motstandsendring med temperaturen. Beregn konsentrasjonen av glukose i hver prøve ved å vurdere reaksjons entalpien av glukose og GOD-enzym (Δ H = -80 kJ / mol), og ved hjelp av konsentrasjonen ligning ^10:
   
   der n _p oppdages molar konsentrasjon, C AT blir beregnet temperatur.

Representative Results

Figur 3 viser en plotting av målte termiske signal. De genererte signalene i nærvær av kulene med tilsvarende optiske bilder som viser vellykket påvisning av mikrosfæren PS perler i mikrokanalen. Den termiske ledningsevnen til væsken som passerer gjennom mikrokanalen endrer seg på grunn av tilstedeværelsen av PS kuler. Denne endringen i varmeledningsevnen for kanalen påvirker varmeoverføring i mikrokanalen. Endringen i varmeoverføringen i mikro-kanalen blir detektert av RTD i form av motstands svingning (figur 3A og B).

Det detekterte signal kan også påvirkes ved endring i den lokale strømningsfeltet (figur 3C og D), noe som vil påvirke varmeoverføring i kanalen. Endringen i varmeledningsevnen øker temperaturen. Videre er de lokale hastighetsendringer i mikrokanal basertpå tilsvarende dimensjonene av PS perlestørrelsen til kanalen, forårsaker en økning i lokal varmeoverføring. I dette tilfellet, er effekten av endringen i varmeoverførings dominerende slik den vises som en reduksjon i motstanden. Det er derfor viktig i TPD eksperiment korrespondansen av kanalen størrelse med partikkelstørrelsen. De foreliggende resultater viser evnen til TPD teknikk for å telle og registrere størrelsen på partiklene.

Den målte verdien for termisk diffusivitet av glycerol er 9,94 x 10 ^{-8 2} m / sek, som er innen 8% av den teoretiske verdi. Tabell 1 viser de målte verdier av forskjellige ioniske væskeprøver av den innførte metoden. For å verifisere riktigheten av målingen, ble den spesifikke varmen av vann målt ved bruk av den samme teknikk med mindre enn 5% feil.

Det detekterte temperatursignal på grunn av den eksoterme reaksjon av glukose og GOD er vist i figur 7A. THan reaksjonsområdet på utformet mikro-kanalen er 45% av det totale arealet. For å beregne konsentrasjonen, vil bare denne delen av glukose vurderes. Den endelige satsen av glukosen oksydasjonsreaksjonen er også ansett som et reaksjonskinetikk faktor. Sammenligning av den detekterte konsentrasjon med tilgjengelige kommersielle glukosemåler Resultatene (figur 7B) viser en høyere presisjon (<30%) i den fabrikkerte enheten.

Figur 1. mikrofluid enhet for termisk partikkeldeteksjon. (A) Device skjematisk. (B) Tverrsnitt av partikkeldeteksjon ved hjelp av termisk målemetode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Det eksperimentelle oppsettet for den termiske partikkeldeteksjon (TPD). Er en datastyrt kilde / meter brukes til skjevhet RTD og måle motstanden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Resultater av termisk partikkeldeteksjon. (A) Det detekterte motstandsendring når 90 um PS vulst passerer RTD-sensor med strømningshastighet på 5 ul / min. Den forklarte forandring i den termiske ledningsevnen øker temperaturen og vises i form av motstandsendringen i RTD motstandsmålingen. (B) Den optiske bildet avsamme vulst på figur 3A som passerer sensoren. (C) Det detekterte motstandsendring når 200 um PS vulst passerer RTD-sensor med strømningshastighet på 5 ul / min. (D) Den optisk bilde av den samme vulsten på figur 3C forbifarten sensoren. Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ^[2]. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. on-chip fremstille mikrokalorimeter og anordning holderen. (A) Et fotografi av mikromaskinerte tre-dimensjonale on-chip suspenderte mikrokalorimeter enhet. Brikken har to identiske kammere, som hver har to innløp og ett utløp. (B) Det schematic av mikromaskinert mikro-kalorikammeret. Det mikromaskinerte RTD er vist ved den øvre overflaten av den fabrikkerte enheten. (C) Det mikrokalorimeter enhet er plassert på enheten holderen. (D) Den endelige innstilling av mikrokalorimeter med elektriske og microfluidic forbindelser. Resultatet av TWA er brukt for beregningen varmekapasitet. Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ^[3]. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5. De elektriske tilkoblinger av termisk måling oppsett med mikro-kalori enhet. (A) Målingen oppsett for varme penetrasjon tid analyse. Den målte varmen gjennomtrengningstid er bruk d for varmeledningsevne beregningen. (B) Målingen oppsett for termisk bølge analyse. Resultatet av TWA benyttes for beregning varmekapasitet. Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ^[3]. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. (A) Skjematisk av papirbaserte enhet. (B) Måle oppsett for papirbaserte kalorimetrisk påvisning av glukose. I dette oppsettet er en LabVIEW-kontrollerte kilde / meter (Keithley 2600) som brukes til skjevhet RTD og måle temperatur samtidig. Den målte temperatur og den tid spindelen vil bli lagret så lenge som måles. I dette eksperimentet Keithley 2600 benyttes for hurtigere måling.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7. glukose deteksjonsresultater med papirbasert kalorimetrisk sensor. (A) utgangssignalet fra glukose og GOD enzymreaksjon. (B) Sluttdeteksjonsresultater av glukosekontroll prøver med papir-basert enhet sammenlignet med kommersielle glukosemåler resultater. Dette tallet har blitt gjenbrukt med tillatelse fra ^[4]. "Gitt data" beregnes konsentrasjonen av glukose i forsøkene gjenkjenning.

	Prøve	Målt Spesifikk Heat (J / g K)
1	[EMIM] [Tf2N]	2,75
2	[BMIM] [PF6]	2,83
3	[HMIM] [PF6]	0,86
4	[OMIM] [PF6]	2,55

Tabell 1. Den målte spesifikke varme av ioniske væsker ved hjelp av TWA teknikk med på-brikke mikrokalorimeter. Denne tabellen har blitt modifisert med tillatelse fra publiserte data ^[3].

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