Introduction
Drie verschillende micro-schaal thermische meettechnieken worden gepresenteerd in dit artikel. De drie verschillende configuraties van microfluïdische inrichtingen worden gebruikt voor thermische partikeldetectie (TPD), thermische karakterisering (thermische geleidbaarheid en de soortelijke warmte) en calorimetrische detectie van chemische reacties en interacties.
Thermische Particle Detection
Het detecteren en tellen van deeltjes in microfluïdische inrichtingen wordt veel gebruikt voor het milieu, industriële en biologische toepassingen 1. TPD is een van de nieuwe toepassingen van thermische metingen in microfluïdische inrichtingen 2. Met warmteoverdracht voor het detecteren en tellen van deeltjes op basis van de deeltjesgrootte vermindert de complexiteit, kosten en grootte van het systeem. In andere werkwijzen, complexe optische of complexe elektrische metingen en geavanceerde signaalverwerking software worden gebruikt voor het detecteren van deeltjes.
Thermische Characterization van vloeibare stoffen met behulp van micro-Calorimeter
Vloeibaar monster thermische karakterisering is de tweede toepassing van thermische metingen in microfluïdische apparaten. Het uitvoeren van micro-schaal calorimetry zal het monster verbruik te verminderen en verhoging van de precisie door het aanbieden van hogere herhaalbaarheid ten opzichte van conventionele, bulk calorimetrie methoden. De procedures voor de thermische geleidbaarheid en soortelijke warmte metingen met behulp van de on-chip micro-calorimeter apparaat worden elders 3 gepresenteerd. De data van warmte penetratietijd techniek warmtegeleidingsvermogen meten en thermische golfanalyse (TWA) te soortelijke warmte metingen in microfluïdische inrichtingen worden beschreven in de sectie protocol.
Calorimetrische Bio-chemische detectie in Paper-Based microfluïdische apparaat
Een andere toepassing van de thermische meting biochemische detectie in papieren microfluidics. De capillaire werking in deporeuze structuur papier draagt de vloeistof en voorkomt bubble initiatie problemen in microkanalen. De meest voorkomende detectie mechanismen in papier gebaseerde microfluïdische apparaten zijn optische of elektrochemische technieken. Optische detectie lijdt aan een hoge complexiteit en de noodzaak van geavanceerde beeldverwerking software om de gedetecteerde signaal te kwantiseren. Elektrochemische detecties zijn ook beperkt, omdat zij slechts kunnen worden toegepast op reacties die actieve bijproducten produceren. De onlangs geïntroduceerde colorimetrische papieren biochemische sensor platform 4 maakt gebruik van de papieren microfluïdische systeem en de thermische detectiemechanisme label-free. De procedures van de colorimetrische detectie van glucose die glucose oxidase (GOD) enzym in een papieren microfluïdische platform worden in het protocol.
Het doel van dit document is om de mogelijkheden van thermische meettechnieken in microfluïdische apparaten te demonstreren. Het apparaat VOORBEREIDIn, vloeibaar monster handling en weerstand temperatuur detector (RTD) sensor excitatie en meting worden gepresenteerd in de volgende paragrafen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Thermische Particle Detection (TPD)
- Bereid de microgefabriceerde silicium inrichting met een dunne-film silicium nitride membraan en geïntegreerde temperatuursensor met micromachining gebruik van standaard halfgeleider- technologie 2. Spoel de gefabriceerde apparaat met gedeïoniseerd (DI) water.
Opmerking: De fabricagemethode voor het thermisch deeltjesdetector microfluïdische inrichting is beschreven in eerdere publicatie 2. - Om polydimethylsiloxaan (PDMS) substraten met micro-kanalen te produceren, zorgen voor een SU8 mal met behulp van standaard lithografie processen 5.
Opmerking: De kanaalbreedte is voor elke specifieke afmeting deeltje.- Voeg PDMS door mengen van een 10: 1 verhouding van base (30 ml) en het hardingsmiddel (3 ml). Giet de PDMS op de vorm en de bellen door kort bloot te stellen aan een vacuüm (5-10 min).
Opmerking: Het vacuümniveau geen kritische waarde voor het ontgassen en worden voortgezet tot gas bubbles zijn volledig verwijderd uit gemengde PDMS. - Plaats de vorm op een kookplaat (~ 70 ° C) gedurende 2 uur om het PDMS harden. Schil vervolgens de PDMS heel voorzichtig om niet de mal beschadigen.
Opmerking: De Vacuum niveau is niet een kritische waarde.
- Voeg PDMS door mengen van een 10: 1 verhouding van base (30 ml) en het hardingsmiddel (3 ml). Giet de PDMS op de vorm en de bellen door kort bloot te stellen aan een vacuüm (5-10 min).
- Met behulp van een handmatige punch, punch een strakke gat (1 mm) voor de PTFE-buis aan de ene kant. Gebruik een grote stempel (2 mm) aan het andere uiteinde op de PDMS een reservoir te maken. Plaats de geponste microkanaal bovenop het apparaat onder de microscoop en lijn de RTD in het midden van de micro-channel (Figuur 1A).
- In de elektrische interface, sluit de elektrische pennen in het contact pad posities en draai de borgschroeven. Zorg ervoor dat de hoogte verstelbare pennen (Pogo pins) zitten op de juiste elektroden op het apparaat.
- Verdun 10 pi van het geconcentreerde PS korrels in 100 pi DI water in een 1,5 ml buis.
- Om de PS beads blijven neutraal drijfvermogen zorgen, voeg 2,7 pl van glycerol (1,26g / cm 3) DI water om de vloeistofdichtheid het polystyreen (PS) korreldichtheid (overeenkomen 1,05 g / cm 3).
- Sluit de PTFE-buis naar het kanaal aan één einde en het andere uiteinde op een 1 ml injectiespuit. Vul het glas spuit met 0,5 ml DI water.
Opmerking: Volledig aansluitende gemaakt door het selecteren van de juiste punch grootte zal lekkage in buizen te voorkomen. - Plaats de DI water spuit op de computergestuurde injectiepomp. Schuif het water (5-20 pl / min) in het kanaal om de gehele kanaal te vullen met vloeistof tot aan het reservoir.
- Belasting 10 pi evenwichtige kraal oplossing van het reservoir en voeren de kraal oplossing van het micro-kanaal veranderen van de stromingsrichting op injectiepomp.
- Schakel de RTD van vertekenende 1 mA DC stroom door de computer bestuurde / meter, terwijl de weerstand van bron / meter en sorteren van de gemeten data (figuur 2).
Opmerking: Tijdens het experiment, de sensor is voorgespannen; Daarom wordt de temperatuur continu gemeten tot het einde van de telling experiment. De RTD sensor wordt elektrisch voorgespannen door een gelijkstroom in het traject van 100 pA tot 1 mA om de temperatuur tot het einde van de telling experiment continu meten. Het is cruciaal om de juiste stroom te selecteren aangezien er een afweging tussen geluidsniveau en het gedetecteerde signaalamplitude. De spuitpomp wordt gebruikt om de stroom in micro-kanalen te genereren. Selecteren van een geschikte stroomsnelheid naar de TPD experiment uitgevoerd is beperkt tot de snelheid van de meting. Deze snelheid is een functie van de thermische tijdconstante van het apparaat en elektrische meetsnelheid. De resultaten van thermische partikeldetectie experiment worden getoond in Figuur 3. - Gebruik de ontwikkelde data processing software (LabVIEW) om de gemeten weerstand data om te zetten in temperatuur met de Callendar-Van Dusen vergelijking 6.
2. ThermalKarakterisering van vloeistoffen met behulp van een micro-calorimeter
- Daarbij gebruikt de on-chip calorimeter-inrichting (figuur 4A) 3 de thermische diffusievermogen en de soortelijke warmte van de monsters te meten.
Opmerking: Bij elke dobbelsteen, er 2 micro-calorimeter kamers (figuur 4B). Elke kamer heeft 2 ingangen en één uitgang. En elke kamer heeft een kachel en een RTD sensor geïntegreerd. - Plaats de micro-calorimeter apparaat het apparaat houder (Figuur 4C). Lijn het apparaat om de microfluïdische in- en uitlaten met de houder armaturen. Plaats de PDMS afdichtingslaag bovenop het apparaat.
- Installeer elektrische aansluiting pinnen op de houder van het apparaat en vergrendel de houder schroeven.
Opmerking: Zorg ervoor dat de in hoogte verstelbare Pogo pinnen zijn uitgelijnd met de elektrisch contact pads. - Installeer de microfluïdische-interface laag met magnetische grendels om het apparaat houder (Figuur 4D). Sluit de PTFE buizen zowel inlaten en de uitlaat. Sluit een inlaat naar de sample-loaded spuitpomp en sluit het andere, aangezien het niet enthalpie gemeten in casu.
- Gebruik een ontwikkelde computergestuurde programma om het monster in het microkanaal en kamers te laden.
Opmerking: Het programma zal beëindigde stroom te gebruiken om overmatige druk te verminderen op de dunne-film opgeschort kamer.- Laad de 300 pi monster in de glazen spuit en plaats het op de injectiepomp. Gebruik zeer traag (0,25 pl / min) constant debieten voor hoge viscositeit monsters (bv glycerol en ionische vloeistoffen). Gebruik een glycerol monster voor thermische diffusie metingen en ionische vloeistoffen voor soortelijke warmte metingen.
- Metingen
- Thermische diffusie metingen
- Sluit de metingen opstelling als weergegeven in figuur 5A. Laad de glycerol monster naar de micro-calorimeter kamer. Start het aangepaste computer gestuurde programma voor hea t penetratie tijdmeting.
- Gebruik de geijkte warmte penetratie vergelijking om thermische diffusie berekenen op basis van de gemeten warmte penetratie tijd 7:
waarbij α is thermische diffusie, L is de dikte van de kamer, p de dikte ijkfactor vanwege fabricageproces variatie en t 0 is warmtepenetratie tijd.
- Specifieke warmte metingen
- Gebruik TWA meetopstelling zie figuur 5B. Gebruik hetzelfde monster laden programma en laadt de ionische vloeistof in de kamer. Voer het TWA programma om de amplitude van de AC temperatuurschommelingen (∂ T AC) krijgen en nauwkeurig gebruik van warmtevergelijking de berekening van de specifieke, c p, voor elke warmte ionische vloeistofmonster 8:
28eq2.jpg "width =" 117 "/>
waarbij C 0 is ingangsvermogen ijkfactor P is ingangsvermogen, ω is de frequentie van het bekrachtigingssignaal, en m de massa van het vloeistofmonster.
- Gebruik TWA meetopstelling zie figuur 5B. Gebruik hetzelfde monster laden programma en laadt de ionische vloeistof in de kamer. Voer het TWA programma om de amplitude van de AC temperatuurschommelingen (∂ T AC) krijgen en nauwkeurig gebruik van warmtevergelijking de berekening van de specifieke, c p, voor elke warmte ionische vloeistofmonster 8:
- Thermische diffusie metingen
3. Calorimetrische Biochemische Detectie in Papieren microfluïdische apparaat
- Gebruik microfabricated dunne film (40-50 nm nikkel) RTD sensor. Fabrication stappen voor de OTO-sensor worden uitgelegd in eerdere werken 4.
- Voor papieren kanaal fabricage 4, gebruik dan een mes plotter om het papier te snijden microfluïdische kanalen met een ontworpen patroon (L-vorm). Plaats het papier op de top van de snij mat, laadt het papier en de snijmat het mes plotter, en gebruik de juiste recept om de microfluïdische papieren kanalen 4 snijden.
- Voor de inrichting en het kanaal integratie, gebruiken een acryl hechtlaag (5 micrometer) om het papier te integreren op de RTD sensor. Gebruik een schone blade om het papier te duwen om het apparaat en verwijder de luchtbellen (figuur 6A). De acryl film is een hechtlaag aan het papier over RTD sensor te houden.
- Voor enzymactivering, gebruiken 50 mM natriumacetaatbuffer aan de GOD enzym te activeren. Voeg 1 mg van de GOD enzym 1 ml natriumacetaatbuffer aan de 1 mg / ml oplossing te maken. Stel de pH van de oplossing 5,1.
Opmerking: Pas de hoeveelheid azijnzuur in natriumacetaat buffer om de pH van de oplossing 5,1 te handhaven. - Bias van de RTD met 1 mA DC stroom naar de RTD activeren en beginnen met het meten van de weerstand bron / meter continu terwijl de weerstand tot rust komt na het experiment (~ 4 min).
Opmerking: Figuur 6B toont de meetopstelling voor de papier-gebaseerde calorimetrische testen. - Introduceren 2 ul van de bereide oplossing GOD het midden van het papier micro-channel (immobilisatie ter) via een pipet. De gedetecteerde temperatuur (figuur 7A) moet beginnen to verlagen.
Opmerking: Deze koelende werking vanwege de hogere werktemperatuur van de RTD en verdamping van het monster tezamen. - Om de glucoseconcentratie te meten, te introduceren standaard glucose-controle-oplossing 9 om het kanaal inlaat en meet de weerstand tegen verandering als gevolg van de reactie. Herhaal dit experiment met alle verschillende glucose controle-oplossingen (hoge, normale en lage concentraties) en sla de weerstand data.
- De weerstandstemperatuurcoëfficiënt (TCR) nikkel RTD en Callendar-Van Dusen vergelijking, zet de weerstandsverandering van de temperatuur. Bereken de concentratie van de glucose in elk monster door te overwegen de reactie-enthalpie van glucose en het enzym GOD (Δ H = -80 kJ / mol) en met behulp van de concentratie formule 10:
waarin n p wordt gedetecteerd molaire concentratie, C
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 3 toont de grafiek van de gemeten thermische signaal. De gegenereerde signalen in aanwezigheid van de bolletjes met bijbehorende optische beelden tonen de succesvolle detectie van het microbolletje PS korrels in het microkanaal. De thermische geleidbaarheid van de vloeistof die door de micro-kanalen verandert door de aanwezigheid van PS korrels. Deze verandering in de thermische geleidbaarheid van het kanaal waardoor de warmteoverdracht in het microkanaal. De verandering in de warmteoverdracht in de microkanaal wordt gedetecteerd door RTD in de vorm van weerstand fluctuatie (figuur 3A en B).
Het gedetecteerde signaal kan ook worden beïnvloed door de verandering in het lokale stromingsveld (figuur 3C en D), die de warmte-overdracht in het kanaal beïnvloeden. De verandering van de thermische geleidbaarheid zal de temperatuur stijgen. Bovendien is de plaatselijke snelheidsveranderingen in de micro-kanaalgerelateerdeop soortgelijke afmetingen van de PS kraag naar de kanaalgrootte, daardoor kwamen plaatselijke warmteoverdracht. In dit geval is het effect van de verandering in warmte-overdracht is dominant omdat het lijkt een afname in weerstand gedetecteerd. Daarom is de overeenstemming van kanaalgrootte met deeltjesgrootte essentieel TPD experiment. Deze resultaten tonen het vermogen van de TPD techniek te tellen en detecteren de grootte van deeltjes.
De gemeten waarde van de thermische diffusie van glycerol 9,94 x 10 -8 2 m / sec, die binnen 8% van de theoretische waarde. Tabel 1 geeft de gemeten waarden van de verschillende ionische vloeistofmonsters uit het vastgestelde werkwijze. Om de nauwkeurigheid van de meting te controleren, de soortelijke warmte van water werd gemeten met dezelfde techniek met minder dan 5% fout.
De gedetecteerde temperatuursignaal vanwege de exotherme reactie van glucose en GOD is getoond in figuur 7A. THij reactiegebied op gemaakt microkanaal is 45% van het totale oppervlak. Om de concentratie te berekenen, wordt alleen dit gedeelte van glucose worden overwogen. De eindige snelheid van het glucose oxidatiereactie wordt ook beschouwd als een reactiekinetiek factor. Het vergelijken van de gedetecteerde concentratie beschikbare commerciële glucosemeter resultaten (figuur 7B) toont hogere precisie (<30%) in de vervaardigde inrichting.
Figuur 1. microfluïdische apparaat voor thermische deeltjesdetectie. (A) Device schema. (B) Cross-doorsnede van het deeltje detectie met behulp van de thermische meetmethode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. De experimentele opstelling voor de thermische deeltjes detectie (TPD). Is een computergestuurde source / meter gebruikt om vertekening van de RTD en meet de weerstand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Resultaten van thermische deeltjesdetectie. (A) Het gedetecteerde weerstandsverandering als de 90 urn PS kraal passeert het RTD sensor stroomsnelheid van 5 pl / min. De verklaarde verandering van de thermische geleidbaarheid zal de temperatuur stijgen en verschijnen in de vorm van weerstandsverandering in de RTD weerstandsmeting. (B) De optische beeld van hetHetzelfde kraal in figuur 3A het passeren van de sensor. (C) Het gedetecteerde weerstand veranderen wanneer de 200 pm PS kraal is het passeren van de RTD sensor met debiet van 5 pl / min. (D) De optische beeld van dezelfde kraal in figuur 3C voorbijgaan de sensor. Dit cijfer is gewijzigd met toestemming van [2]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. De on-chip gefabriceerd micro-calorimeter en de vasthoudinrichting. (A) Een foto van micromachine 3-dimensionale on-chip zwevende micro-calorimeter apparaat. De chip heeft twee identieke kamers, elk met twee ingangen en één uitgang. (B) De Schematic van het micromachined micro-calorimeter kamer. De micromachine RTD wordt getoond aan het bovenoppervlak van de vervaardigde inrichting. (C) Het micro-calorimeter inrichting de apparaathouder aangebracht. (D) De laatste instelscherm van de micro-calorimeter met elektrische en microfluïdische verbindingen. Het resultaat van TWA wordt gebruikt voor de berekening warmtecapaciteit. Dit cijfer is gewijzigd met toestemming van [3]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. De elektrische verbindingen van de thermische meetopstelling met de micro-calorimeter-inrichting. (A) De meetopstelling voor warmtepenetratie time analyse. De gemeten hitte penetratie tijd is gebruik d voor thermische geleidbaarheid berekening. (B) De meetopstelling voor de thermische golf analyse. Het resultaat van TWA wordt gebruikt voor de berekening warmtecapaciteit. Dit cijfer is gewijzigd met toestemming van [3]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. (A) Schematische van de papieren apparaat. (B) De meetopstelling voor het papier gebaseerde colorimetrische detectie van glucose. In deze opstelling wordt een LabVIEW-gecontroleerde bron / meter (Keithley 2600) gebruikt om vertekening van de RTD en gelijktijdig meten van de temperatuur. De gemeten temperatuur en de tijd stift worden opgeslagen terwijl wordt gemeten. In dit experiment Keithley 2600 wordt gebruikt voor hogere meetsnelheid.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7. De glucose detectieresultaten met papieren colorimetrische sensor. (A) Uitgangssignaal van de glucose GOD en de enzymreactie. (B) Definitieve detectieresultaten van glucose controlemonsters met papieren apparaat tegen commerciële glucosemeter resultaten. Dit cijfer is hergebruikt met toestemming van [4]. "Gezien Data" wordt berekend concentratie van de glucose in de detectie experimenten.
| Monster | Gemeten Soortelijke warmte (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. De gemeten soortelijke warmte van ionische vloeistoffen gebruikt TWA techniek on-chip micro-calorimeter. Deze tabel is gewijzigd met toestemming van gepubliceerde gegevens [3].
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Gedeeltelijke financiële steun voor dit werk werd geleverd door de Amerikaanse National Science Foundation door de industrie / University Cooperative Research Center on Water Equipment & Beleid gevestigd aan de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee (IIP-0.968.887) en Marquette University (IIP-0.968.844). Wij danken Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang en Shankar Radhakrishnan voor behulpzaam discussies.
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 |
References
- Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. Methods for counting particles in microfluidic applications. Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).
- 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).
- 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).
- Davaji, B., Lee, C. H. A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing. Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).
- Liu, J., et al. Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist. Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).
- Dusen, M. S. V. Platinum-resistance thermometry at low temperatures. J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).
- Arpaci, V. S. Conduction Heat Transfer. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, MA. (1966).
- 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).
- Kilo, C., et al. Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration. Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).
- Scheper, T. Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology). , Springer-Verlag. (1999).
