Techniques de mesure thermiques dans les dispositifs microfluidiques analytiques

Introduction

Trois techniques différentes de mesure thermiques à micro-échelle sont présentés dans cet article. Les trois configurations différentes de dispositifs microfluidiques sont utilisés pour la détection thermique des particules (TPD), la caractérisation thermique (conductivité thermique et la chaleur spécifique), et détection colorimétrique des réactions chimiques et des interactions.

Détection de particules thermique

Détection et le comptage des particules dans des dispositifs microfluidiques est largement utilisé pour des applications environnementales, industrielles et biologiques ^1. DPT est l'une des nouvelles applications de mesures thermiques dans des dispositifs microfluidiques ^2. Utilisation de transfert de chaleur pour la détection et le comptage des particules en fonction de la taille des particules réduit la complexité, le coût et la taille du système. Dans d'autres procédés, l'optique complexes ou des mesures électriques complexes et logiciel avancé de traitement de signal sont utilisés pour détecter des particules.

Chara thermiquecterization de substances liquides utilisant des micro-calorimètre

Caractérisation thermique échantillon liquide est la deuxième application de la mesure thermique dans des dispositifs microfluidiques. Exécution calorimétrie à micro-échelle permettra de réduire la consommation de l'échantillon et augmenter la précision en offrant une répétabilité élevée par rapport à des méthodes classiques de calorimétrie vrac. Les procédures pour la conductivité thermique et mesure de la chaleur spécifique en utilisant le dispositif de micro-calorimètre sur puce sont présentées ailleurs ^3. Les détails de la technique de temps de pénétration de la chaleur pour la mesure de la conductivité thermique et l'analyse de l'onde thermique (TWA) pour des mesures spécifiques de chaleur dans des dispositifs microfluidiques sont décrits dans la partie protocole.

Dispositif microfluidique calorimétrique Bio-chimique de détection dans Paper-Based

Une autre application de mesure thermique est la détection biochimique en microfluidique à base de papier. L'action capillaire dans lestructure poreuse de papier porte le liquide et évite bulles problèmes d'initiation dans des micro-canaux. Les mécanismes de détection les plus communs dans les dispositifs microfluidiques sur support papier sont des techniques optiques ou électrochimiques. La détection optique souffre d'une grande complexité et de la nécessité de logiciels avancés de traitement d'image à quantifier le signal détecté. Détections électrochimiques sont également limitées car ils ne peuvent être appliquées à des réactions qui produisent des sous-produits actifs. La plate-forme de capteur calorimétrique biochimique à base de papier récemment introduit ^quatre tire parti du système microfluidique à base de papier et le mécanisme de détection thermique sans étiquette. Les procédures de détection colorimétrique du glucose utilisant la glucose oxydase (GOD) enzyme dans une plate-forme microfluidique à base de papier sont présentés dans la section de protocole.

Le but de cet article est de démontrer les capacités de techniques de mesure thermiques dans des dispositifs microfluidiques. Le dispositif PRÉPARATIOn, échantillon liquide détecteur manipulation et la résistance température (RTD) excitation du capteur et la mesure sont présentés dans les sections suivantes.

Protocol

1. Détection de particules thermique (DPT)

1. Préparer le dispositif en silicium micro-fabriqué avec une membrane de nitrure de silicium à couche mince et capteur de température intégré par micro-usinage, en utilisant la technologie semiconducteur standard de traitement ^2. Rincer le dispositif fabriqué avec (DI) de l'eau déminéralisée.
   Note: La méthode de fabrication de détecteur de particules thermique dispositif microfluidique est expliqué dans la publication préalable ^2.
2. Pour produire polydiméthylsiloxane (PDMS) substrats avec des micro-canaux, créer un moule SU8 par lithographie norme traite ^5.
   Remarque: La taille du canal est conçu pour la dimension de chaque particule spécifique.
   1. Assurez-PDMS en mélangeant un rapport 10: 1 de base (30 ml) et de l'agent (3 ml) le durcissement. Verser sur les PDMS dans le moule et enlever les bulles en exposant brièvement à un vide (5-10 min).
      Remarque: Le niveau de vide est pas une valeur critique pour le dégazage et il devrait se poursuivre jusqu'à bubb de gazles sont totalement retiré de PDMS mixtes.
   2. Placer le moule sur une plaque chauffante (~ 70 ° C) pendant 2 heures pour durcir les PDMS. Puis décoller les PDMS très soigneusement afin de ne pas endommager le moule.
      Remarque: le niveau de vide est pas une valeur critique.
3. Utiliser un poinçon manuel, percer un trou serré (1 mm) pour le tube de PTFE à une extrémité. Utilisez un grand coup de poing (2 mm) à l'autre extrémité de rendre les PDMS un réservoir. Placez le micro-canal perforé sur le dessus du dispositif sous le microscope et aligner la sonde au centre de la micro-canal (figure 1A).
4. Dans l'interface électrique, relier les broches électriques dans les positions de plot de contact et serrer les vis de blocage. Assurez-vous que les broches réglables en hauteur (broches) sont assis à Pogo les électrodes appropriés sur le périphérique.
5. Diluer 10 ul de billes de PS concentrées dans 100 pl d'eau désionisée dans un tube de 1,5 ml.
6. Pour assurer la PS perles restent flottabilité neutre, ajouter 2,7 pi de glycérol (1,26g / cm ³⁾ de l'eau DI pour correspondre à la densité du fluide à la densité des billes de polystyrène (PS) (1,05 g / cm ^3).
7. Connecter le tube en PTFE sur le canal à une extrémité et l'autre extrémité sur une seringue en verre de 1 ml. Remplir la seringue en verre avec 0,5 ml d'eau DI.
   Remarque: moulante fait en sélectionnant la taille de coup de poing droit permettra d'éviter les fuites dans les tubes.
8. Placer l'eau DI seringue remplie sur la pompe à seringue commandée par ordinateur. Poussez l'eau (5-20 pi / min) dans le canal pour remplir le canal avec du liquide tout le chemin vers le réservoir.
9. Charge: 10 ul de solution de talon équilibré au réservoir et introduire la solution de billes à la micro-canaux en modifiant la direction d'écoulement de la pompe à seringue.
10. Allumer le RTD par une sollicitation mA de courant continu à travers le commandée par ordinateur de source / mètre alors que par mesure de la résistance de source / mètre et le tri des données de mesure (figure 2).
    Remarque: Au cours de l'expérience, le capteur est sollicité; par conséquent, la température est mesurée en continu jusqu'à ce que la fin de l'expérience de comptage. Le capteur RTD est polarisée électriquement par application d'un courant continu dans la plage de 100 uA à 1 mA pour mesurer en continu la température jusqu'à la fin de l'expérience de comptage. Il est essentiel de choisir le niveau actuel exact, car il est un compromis entre le niveau de bruit et l'amplitude du signal détecté. La pompe à seringue est utilisé pour générer l'écoulement dans le micro-canal. La sélection d'un débit approprié pour effectuer l'expérience de la DPT est limitée à la vitesse de la mesure. Cette vitesse est fonction de la constante de temps thermique du dispositif de mesure de vitesse et de courant. Les résultats de l'expérience de détection de particules thermique sont présentés dans la figure 3.
11. Utiliser le logiciel de traitement de données développée (LabVIEW) pour convertir les données sur la résistance de mesure de température en utilisant l'équation Callendar-Van Dusen ^6.

2. thermiqueCaractérisation des substances liquides aide d'un micro-calorimètre

1. Dans ce processus, utiliser le dispositif sur puce calorimètre (figure 4A) ³ pour mesurer la diffusivité thermique et la chaleur spécifique des échantillons.
   Remarque: Sur chaque filière, il ya 2 chambres micro-calorimètre (figure 4B). Chaque chambre comporte deux entrées et une sortie. Et chaque chambre dispose d'un chauffage et un capteur RTD intégré.
2. Placez le dispositif de micro-calorimètre sur le support de l'appareil (figure 4C). Aligner le dispositif aux entrées et sorties microfluidiques avec les raccords de titulaire. Passer la couche d'étanchéité PDMS sur le dessus du dispositif.
3. Installez broches de connexion électrique sur le support de l'appareil et bloquer les vis de maintien.
   Remarque: Assurez-vous que les broches de Pogo réglables en hauteur sont alignés avec les plots de contact électrique.
4. Installez la couche d'interface microfluidique avec loquets magnétiques à la porte de l'appareil (figure 4D). Connecter le PTFE tubes à deux entrées et la sortie. Connectez une entrée de la pompe de la seringue échantillon chargé et fermer l'autre, comme l'enthalpie ne se mesure pas dans ce cas.
5. Utilisez un programme contrôlé par ordinateur développé pour charger l'échantillon dans le micro-canal et chambres.
   Remarque: Le programme utilisera flux abandonnée pour relâcher la pression excessive sur la chambre, suspendus à couche mince.
   1. Chargez l'échantillon de 300 pl dans la seringue de verre et le placer sur la pompe seringue. Utilisez très lentes (0,25 pi / min) des débits constants pour les échantillons à haute viscosité (par exemple, le glycérol et les liquides ioniques). Utilisez un échantillon de glycérol pour les mesures de diffusivité thermique et liquides ioniques pour mesures de chaleur spécifique.
6. Mesures
   1. Mesures de diffusivité thermique
      1. Branchez la configuration des mesures comme le montre la figure 5A. Chargez l'échantillon de glycérol à la chambre micro-calorimètre. Exécutez le programme commandé par ordinateur modifié pour HEA t pénétration de mesure du temps.
      2. Utiliser l'équation de pénétration de la chaleur étalonné pour calculer la diffusivité thermique du temps de pénétration de la chaleur mesurée ^7:
         
         où α est la diffusivité thermique, L est l'épaisseur de la chambre, p est le facteur d'étalonnage de l'épaisseur en raison de la variation du processus de fabrication, et t ₀ est le temps de pénétration de la chaleur.
   2. Mesures de chaleur spécifique
      1. Utilisez la configuration de mesure TWA comme le montre la figure 5B. Utilisez le même programme de chargement d'échantillon et de charger le liquide ionique dans la chambre. Exécutez le programme TWA pour obtenir l'amplitude des fluctuations de température AC (∂ T _AC) et utiliser l'équation de la chaleur spécifique pour calculer le spécifique, c _p, la chaleur pour chaque échantillon de liquide ionique ^8:
         28eq2.jpg "width =" 117 "/>
         où C ₀ est entrée facteur d'étalonnage de puissance, P est la puissance _en entrée, ω est la fréquence du signal d'actionnement, et m est la masse de l'échantillon liquide.

3. calorimétrique biochimique de détection à base de papier en dispositif microfluidique

1. Utilisez microfabriquée film mince (40-50 nm de nickel) capteur de RDT. étapes de fabrication pour le capteur RTD sont expliquées dans les travaux précédents ^4.
2. Pour la fabrication des canaux à base de ^papier-4, utiliser un traceur de couteau pour couper le papier canaux microfluidiques avec un modèle conçu (en forme de L). Placez le papier sur le dessus du tapis de coupe, charger le papier et le tapis de découpe au traceur de couteau, et d'utiliser la recette appropriée pour couper les canaux microfluidiques de papier ^4.
3. Pour l'intégration de périphérique et le canal, utiliser une couche adhésif acrylique (5 um) à intégrer le papier sur le capteur RTD. Utilisez un propre blade pour pousser le papier à l'appareil et enlever les bulles d'air (figure 6A). Le film acrylique est une couche d'adhésif pour maintenir le papier capteur RTD.
4. Pour l'activation de l'enzyme, en utilisant un tampon acétate de sodium 50 mM à activer l'enzyme GOD. Ajouter 1 mg de l'enzyme GOD à 1 ml de tampon d'acétate de sodium pour rendre la solution à 1 mg / ml. Ajuster le pH de la solution à 5,1.
   Remarque: Régler la quantité d'acide acétique dans le tampon d'acétate de sodium pour maintenir le pH de la solution 5,1.
5. Bias la RDT avec 1 mA de courant continu pour activer le RDT et démarrer la mesure de la source de résistance / mètre en continu tandis que la résistance installe après l'expérience (~ 4 min).
   Remarque: La figure 6B montre la configuration de mesure pour le test colorimétrique à base de papier.
6. Présentez les 2 pi de la solution DIEU préparé au centre du micro-canal de papier (site de l'immobilisation) via une pipette. La température détectée (figure 7A) doit commencer to diminuer.
   Remarque: Cet effet de refroidissement est due à la plus haute température de fonctionnement de la sonde et de l'évaporation de l'échantillon en même temps.
7. Pour mesurer la concentration de glucose, d'introduire la solution de contrôle de glucose norme ⁹ à l'entrée du canal et à mesurer le changement de résistance causé par la réaction. Répétez cette expérience avec toutes les solutions de contrôle de glucose différentes (haute, normale et de faibles concentrations) et d'enregistrer les données sur la résistance.
8. En utilisant le coefficient de température de résistance (CTR) de RDT de nickel et l'équation Callendar-Van Dusen, convertir le changement de résistance à la température. Calculer la concentration du glucose dans chaque échantillon en tenant compte de l'enthalpie de la réaction de glucose et l'enzyme GOD (Δ H = -80 kJ / mole) et en utilisant l'équation de ¹⁰ concentration:
   
   où n _p est détectée concentration molaire, C AT est calculée.

Representative Results

Figure 3 montre le tracé du signal thermique mesurée. Les signaux générés en présence des perles avec des images optiques correspondantes montrent la détection réussie des billes de PS microsphère dans le micro-canal. La conductivité thermique du liquide passant à travers le micro-canal est en train de changer à cause de la présence de billes de PS. Cette modification de la conductivité thermique du canal affecte le transfert de chaleur dans la micro-canal. Le changement dans le transfert de chaleur dans la micro-canal est détecté par RTD sous forme de fluctuation de résistance (Figure 3A et B).

Le signal détecté peut également être affectée par la variation du champ d'écoulement local (Figure 3C et D), ce qui affectera le transfert de chaleur dans le canal. La variation de la conductivité thermique augmente la température. En outre, les changements de vitesse locales dans le micro-canal basésdes dimensions comparables de la bille de PS à la taille du canal, ce qui provoque une augmentation du transfert de chaleur local. Dans ce cas, l'effet de changement de transfert de chaleur est dominant comme il apparaît comme une diminution de la résistance détectée. Par conséquent, la correspondance de la taille du canal avec la taille des particules est essentiel dans l'expérience de la DPT. Les présents résultats démontrent la capacité de la technique de DPT à compter et détecter la taille des particules.

La valeur de mesure de la diffusivité thermique de glycérol est 9,94 x 10 ^-8 m ² / s, ce qui est à l'intérieur de 8% de la valeur théorique. Le tableau 1 montre les valeurs mesurées de différents échantillons de liquide ionique par le procédé présenté. Pour vérifier la précision de la mesure, la chaleur spécifique de l'eau a été mesurée en utilisant la même technique avec une erreur inférieure à 5%.

Le signal de température détectée en raison de la réaction exothermique de glucose et GOD est représenté sur la figure 7A. Til zone de réaction sur le micro-canal est conçue de 45% de la superficie totale. Pour calculer la concentration, seule cette partie du glucose sera considérée. Le taux fini de la réaction d'oxydation du glucose est également considéré comme un facteur de la cinétique de la réaction. La comparaison de la concentration détectée avec des résultats disponibles glucose commerciales de compteurs (figure 7B) présente une précision plus élevée (<30%) dans le dispositif fabriqué.

Figure 1. dispositif microfluidique pour la détection thermique des particules. (A) schématique de l'appareil. (B) Vue en coupe de la détection de particules en utilisant la méthode de mesure thermique. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2. Le dispositif expérimental pour la détection de la thermique des particules (DPT). Une contrôlé par ordinateur de source / mètre est utilisé pour solliciter la RTD et mesurer la résistance. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3. Résultats de détection thermique de particules. (A) La variation de résistance détectée lorsque le PS 90 um bourrelet passe le capteur RTD à raison de 5 ul / min. Le changement est expliqué dans la conductivité thermique va augmenter la température et apparaissent sous la forme de changement de résistance dans la mesure de la résistance RTD. (B) L'image optique de lamême bourrelet sur ​​la figure 3A le passage du capteur (C). La variation de résistance détectée lorsque la 200 um PS bourrelet passe le capteur RTD à raison de 5 ul / min de débit. (D) L'image optique du même cordon à la figure 3C passage le capteur. Ce chiffre a été modifié avec la permission de ^[2]. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. La sur-puce fabriquée micro-calorimètre et le support de l'appareil. (A) Une photographie du dispositif micro-usiné en 3 dimensions sur puce suspendu micro-calorimètre. La puce dispose de deux chambres identiques, dont chacun a deux entrées et une sortie. (B) Le schematic de la chambre micro-calorimètre micro-usiné. Le micro-usiné RTD est montré à la surface supérieure de l'appareil fabriqué. Dispositif (C) Le micro-calorimètre est placé sur le support de l'appareil. (D) La configuration finale du micro-calorimètre avec des connexions électriques et microfluidiques. Le résultat du TWA est utilisé pour le calcul de la capacité thermique. Ce chiffre a été modifié avec la permission de ^[3]. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5. Les connexions électriques de l'installation thermique de mesure avec le dispositif de micro-calorimètre. (A) La configuration de mesure pour l'analyse des temps de pénétration de la chaleur. Le temps de pénétration de la chaleur mesurée est l'utilisation d pour le calcul de la conductivité thermique. (B) Le montage de mesure pour l'analyse de l'onde thermique. Le résultat du TWA est utilisé pour le calcul de la capacité thermique. Ce chiffre a été modifié avec la permission de ^[3]. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6. (A) Le schéma du dispositif à base de papier. (B) Le montage de mesure pour la détection colorimétrique à base de papier de glucose. Dans cette configuration, une source / mètre LabVIEW contrôlée (Keithley 2600) est utilisé pour solliciter la RTD et de mesurer la température simultanément. La température mesurée et la tige de temps seront stockées tout en étant mesurée. Dans cette expérience Keithley 2600 est utilisé pour la mesure rapide.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7. Les résultats de détection du glucose avec capteur colorimétrique à base de papier. (A) Signal de sortie de la glycémie et de la réaction enzymatique DIEU. (B) des résultats de la détection finale d'échantillons de contrôle de glucose avec dispositif à base de papier par rapport aux résultats de glucose de compteurs commerciaux. Ce chiffre a été réutilisées avec l'autorisation de ^[4]. "Compte tenu des données" est calculé de la concentration du glucose dans les expériences de détection.

	Échantillon	Chaleur spécifique mesurée (J / g K)
1	[EMIM] [Tf2N]	2.75
2	[BMIM] [PF6]	2.83
3	[HMIM] [PF6]	0,86
4	[OMIM] [PF6]	2.55

Tableau 1. La chaleur spécifique mesurée de liquides ioniques en utilisant la technique TWA avec sur puce micro-calorimètre. Ce tableau a été modifié avec la permission de données publiées ^[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