Termiske Måleteknikker i Analytical mikrofluidenheder

Introduction

Tre forskellige mikro-skala termisk måleteknik er præsenteret i denne artikel. De tre forskellige konfigurationer af mikrofluide udstyr anvendes til termisk detektering partikel (TPD), termisk karakterisering (termisk ledningsevne og specifik varme), og kalorimetriske detektering af kemiske reaktioner og interaktioner.

Termisk Particle Detection

Detektering og tælle partikler i mikrofluidenheder er meget brugt til miljø-, industri- og biologiske anvendelser ^1. TPD er en af de hidtil ukendte anvendelser af termiske målinger i mikrovæskeanordninger ^2. Anvendelse af varmeoverførsel til detektering og tælling af partikler baseret på partikelstørrelsen reducerer kompleksiteten, omkostningerne, og systemets størrelse. Ved andre fremgangsmåder, komplekse optik eller komplekse elektriske målinger og avanceret signalbehandling software anvendes til at detektere partikler.

Termisk Characterization af flydende stoffer Brug Micro-Calorimeter

Væskeprøve termisk karakteristik er den anden indgivelse af termisk måling i mikrofluidapparater. Udførelse mikroskala kalorimetri vil reducere forbruget prøven og øge præcisionen ved at tilbyde højere gentagelsesnøjagtighed i forhold til konventionelle, bulk kalorimetri metoder. Procedurerne for varmeledningsevne og specifikke varme måling ved hjælp af on-chip mikro-kalorimeter enhed præsenteres andetsteds ^3. Detaljerne i varmen penetration tid teknik til måling af varmeledningsevne og termiske bølge analyse (TWA) for specifikke varme målinger i mikrofluidenheder er beskrevet i protokollen afsnit.

Kalorimetrisk Bio-Chemical Detection i papirbaserede mikrovæskeanordning

En anden anvendelse af termisk måling er biokemisk påvisning i papirbaserede mikrofluidik. Kapillarvirkningen iporøse struktur af papir bærer væsken og undgår boble initiation problemer i mikrokanaler. De mest almindelige afsløring mekanismer papirbaserede mikrofluidenheder er optiske eller elektrokemiske teknikker. Optisk detektering lider høj kompleksitet og nødvendigheden af ​​avanceret billedbehandling software at kvantisere det detekterede signal. Elektrokemiske opdagelser er også begrænset, fordi de kun kan anvendes til reaktioner, der producerer aktive biprodukter. Den nyligt indførte kalorimetriske papirbaserede biokemiske sensor platform ⁴ drager fordel af papirbaserede mikrofluidsystem og etiketten uden termisk mekanisme afsløring. Procedurerne fra kalorimetriske påvisning af glucose med glucoseoxidase (GOD) enzym i en papirbaseret mikrofluid platform præsenteres i protokollen sektion.

Målet med dette oplæg er at demonstrere mulighederne i termiske måleteknikker i mikrofluidenheder. Enheden FORBEREDELSEn, er flydende prøvehåndtering og modstand temperatur detektor (FTU) sensor excitation og måling præsenteres i de næste afsnit.

Protocol

1. Termisk Particle Detection (TPD)

1. Forbered mikrofremstillet silicium enhed med en tynd-film siliciumnitrid membran og integreret temperaturføler ved mikrobearbejdning, hjælp standard halvleder teknologi ^2. Skyl fabrikeret enhed med deioniseret (DI) vand.
   Bemærk: fremstillingsmetode til termisk partikel detektor mikrofluidanordning er forklaret i forudgående offentliggørelse ^2.
2. At producere polydimethylsiloxan (PDMS) substrater med mikro-kanaler, skal du oprette en SU8 skimmel ved hjælp af standard litografi processer ^5.
   Bemærk: Kanalen størrelse er beregnet for hver specifik partikels dimension.
   1. Gør PDMS ved blanding af en 10: 1-forhold mellem base (30 ml) og hærder (3 ml). Hæld PDMS om til formen og fjerne boblerne ved kort at udsætte det for et vakuum (5-10 min).
      Bemærk: vakuum niveau er ikke en kritisk værdi for afgasning og det bør fortsætte, indtil gas bobleles er totalt fjernet fra blandede PDMS.
   2. Anbring formen på en varmeplade (~ 70 ° C) i 2 timer for at hærde PDMS. Derefter skalle PDMS meget omhyggeligt for ikke at beskadige formen.
      Bemærk: Vakuum niveau er ikke en kritisk værdi.
3. Ved hjælp af en manuel hulning, punch en stram hul (1 mm) til rør PTFE i den ene ende. Brug en stor dorn (2 mm) i den anden ende for at gøre PDMS et reservoir. Placer udstanset mikro-kanal på toppen af enheden under lup og tilpasse FTU i centrum for mikro-kanal (figur 1A).
4. I det elektriske interface, tilslut de elektriske stifter ved kontakt pad positioner, og stramme op låseskruerne. Sørg for, at højdejusterbare ben (Pogo ben) sidde ved de korrekte elektroder på enheden.
5. Fortynd 10 pi af de koncentrerede PS perler i 100 pi af DI-vand i et 1,5 ml rør.
6. At sikre PS perler forbliver neutralt flydende, tilsættes 2,7 pi glycerol (1,26g / ^cm3) til DI vand til at matche fluidet tæthed til polystyren (PS) bead densitet (1,05 g / ^cm3).
7. Forbinde rør PTFE til kanalen i den ene ende og den anden ende til en 1 ml glassprøjte. Fyld sprøjten glas med 0,5 ml Dl-vand.
   Bemærk: Tight fitting gjort ved at vælge den rigtige slag størrelse vil undgå lækage i rør.
8. Placer DI vand fyldt sprøjte på den computerstyrede sprøjtepumpe. Skub vand (5-20 pl / min) ind i kanalen til at fylde hele kanal med væske hele vejen til reservoiret.
9. Belastning 10 pi afbalanceret perleopløsning til reservoiret og introducere perlen løsning på den mikro-kanal ved at ændre strømningsretningen på sprøjtepumpe.
10. Tænd FTU ved forspænding 1 mA DC strøm gennem computerstyret kilde / meter under måling modstanden ved kilden / meter og sortering af de målte data (figur 2).
    Bemærk: Under eksperimentet, sensoren er forspændt; Derfor er temperaturen kontinuerligt målt indtil slutningen af ​​optællingen eksperiment. RTD sensor er elektrisk forspændt ved at anvende en DC strøm i området fra 100 uA til 1 mA kontinuerligt at måle temperaturen indtil slutningen af ​​optællingen eksperiment. Det er afgørende at vælge den korrekte aktuelle niveau da der er en afvejning mellem støjniveauet og det detekterede signal amplitude. Sprøjten pumpe anvendes til at generere flowet i mikro-kanal. Valg af en passende strømningshastighed til at udføre TPD eksperiment er begrænset til hastigheden af ​​målingen. Denne hastighed er en funktion af den termiske tidskonstant for indretningen og elektrisk måling hastighed. Resultaterne af termisk detektering partikel forsøg er vist i figur 3.
11. Brug det udviklede databehandling software (LabVIEW) til at konvertere de målte resistens data til temperaturen ved hjælp af Callendar-Van Dusen ligning ^6.

2. TermiskKarakterisering af flydende stoffer Brug af en Micro-kalorimeter

1. I denne proces bruge kalorimeter enheden on-chip (figur 4A) ³ for at måle den termiske diffusivitet og den specifikke varme af prøverne.
   Bemærk: På hver matrice, der er 2 mikro-kalorimeter kamre (figur 4B). Hvert kammer har 2 indgange og én udgang. Og hvert kammer har en varmelegeme og en RTD sensor integreret.
2. Placer mikro-kalorimeter enhed på enhedens holder (figur 4C) den. Juster enheden til de mikrofluide ind- og udgange med indehaveren fittings. Placer PDMS forseglingslaget på toppen af ​​enheden.
3. Installer elektriske tilslutning benene på enheden holderen og lås indehaveren skruer.
   Bemærk: Sørg for, højdejusterbare Pogo ben er på linje med de elektriske kontaktpuder.
4. Installer microfluidic grænseflade lag med magnetiske låse til enhed holder (figur 4D) den. Tilslut PTFE rør til både indløb og udløb. Forbinde et indløb til prøven belastede sprøjtepumpe og lukke den anden, da enthalpi ikke måles i dette tilfælde.
5. Brug en udviklet computerstyret program til at indlæse prøven i mikro-kanal og kamre.
   Bemærk: Programmet vil bruge udgået flow til at frigive stort pres på den tynde-film suspenderet kammer.
   1. Indlæse 300 ul prøven i sprøjten glasset og læg den på sprøjten pumpe. Bruger meget langsom (0,25 pl / min) konstante strømningshastigheder for høj viskositet prøver (fx glycerol og ioniske væsker). Brug en glycerol prøve til termiske diffusivitet målinger og ioniske væsker til specifikke varme målinger.
6. Målinger
   1. Termiske diffusivitet målinger
      1. Tilslut målinger opsætning som vist i figur 5A. Indlæse glycerol prøven til mikro-kalorimeter kammer. Kør modificerede computerstyret program til hea t penetration tidsmåling.
      2. Brug det kalibrerede varme penetration ligning til at beregne termisk diffusivitet fra den målte varme penetration tid ^7:
         
         hvor α er termisk diffusivitet, L er tykkelsen af kammeret, s er tykkelsen kalibreringsfaktor grundet produktionsprocessen variation, og t ₀ er varme penetration tid.
   2. Varmefylde målinger
      1. Brug måling setup TWA som vist i figur 5B. Brug den samme prøve lastning program og indlæse den ioniske væske i kammeret. Kør TWA program for at få amplituden af temperatursvingningerne AC (∂ T _AC) og bruge den specifikke varme ligning til at beregne den specifikke, _cp, varme for hver ioniske væske prøve ^8:
         28eq2.jpg "width =" 117 "/>
         hvor _C0 er indgangseffekt kalibreringsfaktoren, P _i er effektoptag, ω er frekvensen af aktiveringssignal, og m er massen af flydende prøve.

3. Kalorimetrisk Biokemisk Detection i papir-baserede mikrovæskeanordning

1. Bruge mikrofabrikeret tynd film (40-50 nm nikkel) RTD sensor. Fabrikation skridt til RTD sensor er forklaret i tidligere værker ^4.
2. For papirbaserede kanal fabrikation ^4, brug en kniv plotter til at skære papiret mikrofluidkanaler med en konstrueret mønster (L-form). Placer papiret på toppen af skærende mat, lægge papiret og skære måtten til kniven kortplotter, og anvende passende opskrift til at skære mikrofluide papir kanalerne ^4.
3. For enhed og kanal integration, bruge en akryl klæbelag (5 um) at integrere papir på RTD sensor. Brug en ren BLade at skubbe papiret til enheden og fjerne luftbobler (figur 6A). Den akryl film er et klæbelag til at holde papiret RTD sensor.
4. For enzymaktivering bruge 50 mM natriumacetatpuffer at aktivere GOD enzymet. Tilsæt 1 mg af GOD enzymet til 1 ml natriumacetatbuffer for at gøre opløsning af 1 mg / ml. Justere pH af opløsningen til 5,1.
   Bemærk: Juster den mængde eddikesyre i natriumacetat buffer til at opretholde pH af opløsningen 5.1.
5. Bias RTD med 1 mA DC strøm for at aktivere FTU og begynde at måle modstanden kilde / meter kontinuerligt, mens modstanden afregner ned efter eksperimentet (~ 4 min).
   Bemærk: Figur 6B viser opsætningen for papirbaserede kalorimetriske test måling.
6. Introducere de 2 pi af fremstillet GOD løsning på midten af ​​papiret mikro-kanal (immobilisering site) via pipette. Den detekterede temperatur (figur 7A) skal t starteo falde.
   Bemærk: Denne kølende effekt skyldes den højere driftstemperatur af FTU og fordampning af prøven sammen.
7. Til måling af glucosekoncentrationen, indføre standard glucose kontrolopløsning ⁹ til kanalen indløb og mål modstanden ændringen forårsaget af reaktionen. Gentag dette eksperiment med alle de forskellige blodsukkerregulering løsninger (høj, normal og lave koncentrationer) og gemme modstanden data.
8. Brug af temperaturkoefficient for modstand (TCR) for nikkel FTU og Callendar-Van Dusen ligning, konvertere modstanden ændring af temperaturen. Beregn koncentrationen af glucose i hver prøve ved at betragte reaktionen enthalpi af glucose og GOD enzym (Δ H = -80 kJ / mol) og under anvendelse af koncentrationen ligning ^10:
   
   hvor n _p detekteres molær koncentration, C AT beregnes temperatur.

Representative Results

Figur 3 viser plot af det målte termiske signal. De genererede signaler i nærværelse af perlerne med tilsvarende optiske billeder viser den vellykkede påvisning af mikrosfære PS kugler i mikro-kanal. Den termiske ledningsevne af væsken passerer gennem mikro-kanal er forandring på grund af tilstedeværelsen af ​​PS perler. Denne ændring i den termiske ledningsevne af kanalen påvirker varmeoverførslen i mikro-kanal. Ændringen i varmeoverførsel i mikro-kanal er opdaget af FTU i form af modstand udsving (figur 3A og B).

Det detekterede signal kan også blive påvirket af ændringen i den lokale strømningsfelt (figur 3C og D), hvilket vil påvirke varmeoverførslen i kanalen. Ændringen i den termiske ledningsevne vil øge temperaturen. Endvidere er de lokale hastighed ændringer i mikro-kanal baseretpå de sammenlignelige dimensioner af PS vulst til kanalen størrelse, forårsager en stigning i lokal varmeoverførsel. I dette tilfælde er effekten af ​​ændringen i varmeoverførsel er dominerende, som det vises som et fald i påvises resistens. Derfor er afgørende TPD eksperiment korrespondance på kanal størrelse med partikelstørrelse. De foreliggende resultater viser evne til TPD teknik til at tælle og registrere størrelsen af ​​partikler.

Den målte værdi af termisk diffusivitet af glycerol er 9,94 x 10 ^{-8 m2} / sek, hvilket er inden for 8% af den teoretiske værdi. Tabel 1 viser de målte værdier af forskellige ioniske væskeprøver ved den indførte metode. At kontrollere rigtigheden af ​​målingen blev den specifikke varme vand målt ved hjælp af den samme teknik med mindre end 5% fejl.

Den detekterede temperatur signal på grund af den exoterme reaktion af glucose og GOD er vist i figur 7A. Than reaktion område på designet mikro-kanal er 45% af det samlede areal. At beregne koncentrationen, vil kun denne del af glucose overvejes. Finite rate af glucosen oxidationsreaktionen er også betragtes som en reaktionskinetik faktor. Sammenligning den detekterede koncentration med tilgængelige kommercielle glukose meter resultater (Figur 7B) viser højere præcision (<30%) i fabrikeret enhed.

Figur 1. Mikrofluid indretning til termisk partikel detektion. (A) Device skematisk. (B) Cross-snit af påvisning partikel ved hjælp af den termiske målemetode. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. Den eksperimentelle opstilling til termisk detektering partikel (TPD). Er en computer-styret kilde / meter bruges til bias FTU og måle modstand. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. Resultater af termisk partikel detektion. (A) Det detekterede modstandsændring når 90 um PS vulst passerer RTD sensor med strømningshastighed på 5 ul / min. Den forklarede ændring i den termiske ledningsevne vil forøge temperaturen og vises i form af resistens ændring i modstand måling RTD. (B) Den optiske billede afsamme perle i figur 3A passerer sensoren. (C) Det detekterede modstandsændring når 200 um PS vulst passerer RTD sensor med strømningshastighed på 5 ul / min. (D) Den optiske billede af den samme perle i figur 3C forbifarten sensoren. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ^[2]. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. on-chip fabrikeret mikro-kalorimeter og enheden indehaveren. (A) Et fotografi af mikrobearbejdet 3-dimensionel on-chip ophængt mikro-kalorimeter enhed. Chippen har to identiske kamre, som hver har to indløb og ét udløb. (B) I schematic af mikrobearbejdet mikro-kalorimeter kammer. Den mikrobearbejdet FTU vises øverst overflade fabrikeret enhed. (C) Mikro-kalorimeter enhed er placeret på enhedens holderen. (D) Den endelige opsætning af mikro-kalorimeter med elektriske og mikrofluide forbindelser. Resultatet af TWA anvendes til beregning varmekapaciteten. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ^[3]. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5. De elektriske forbindelser af den termiske måling setup med mikro-kalorimeter enhed. (A) Opsætningen for varme penetration time analyse måling. Den målte varme penetration tid er brug d til beregning varmeledningsevne. (B) Opsætningen til termisk bølge analyse måling. Resultatet af TWA anvendes til beregning varmekapacitet. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ^[3]. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6. (A) Den skematiske af papiret-baseret enhed. (B) Opsætningen for papirbaserede kalorimetriske påvisning af glukose måling. I denne opsætning er en LabVIEW-kontrolleret kilde / meter (Keithley 2600), der anvendes til bias FTU og måle temperaturen på samme tid. Den målte temperatur og den tid stamceller gemmes mens der måles. I dette forsøg Keithley 2600 anvendes til hurtigere måling.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7. Resultaterne glukose detektion med papirbaseret kalorimetriske sensor. (A) Udgangssignal af glukose og GUD enzymreaktion. (B) Endelig afsløring resultaterne af glucose kontrolprøver med papir-baseret enhed sammenlignet med kommercielle glukose meter resultater. Dette tal er blevet genbrugt med tilladelse fra ^[4]. "I betragtning af data" beregnes koncentrationen af ​​glucose i detektion eksperimenter.

	Prøve	Målt Specifik Heat (J / g K)
1	[Emim] [Tf2N]	2.75
2	[BMIM] [PF6]	2,83
3	[HMIM] [PF6]	0,86
4	[OMIM] [PF6]	2,55

Tabel 1. Den målte specifikke varme af ioniske væsker ved hjælp af TWA-teknik med on-chip mikro-kalorimeter. Denne tabel er blevet ændret med tilladelse fra publicerede 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