Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

Introduction

Drei verschiedene Mikromaßstab thermische Messverfahren werden in diesem Artikel vorgestellt. Die drei verschiedenen Konfigurationen von mikrofluidischen Vorrichtungen zur thermischen Partikeldetektion (TPD), thermische Charakterisierung (Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme) und metrischen Detektion von chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen verwendet.

Thermal Partikeldetektion

Erfassen und Zählen von Teilchen in Mikrofluidvorrichtungen ist für Umwelt-, Industrie- und biologische Anwendungen ¹ verwendet. TPD ist eines der neuartigen Anwendungen von thermischen Messungen in mikrofluidischen Vorrichtungen ^2. Verwendung von Wärmeübertragung zum Erfassen und Zählen von Teilchen, bezogen auf die Partikelgröße reduziert die Komplexität, die Kosten und die Größe des Systems. In anderen Verfahren komplexe Optik oder komplexe elektrische Messungen und Signalverarbeitungs-Software zum Detektieren von Teilchen verwendet.

Thermal Characterization flüssiger Substanzen Verwenden von Mikro-Kalorimeter

Flüssigkeitsprobe thermische Charakterisierung ist die zweite Anwendung von Wärmemessung in Mikrofluidvorrichtungen. Darstellende Mikromaßstab Kalorimetrie wird die Probenverbrauch zu reduzieren und die Genauigkeit, indem sie höhere Reproduzierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen, Groß Kalorimetrie Methoden. Die Verfahren für die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme Messung unter Verwendung des On-Chip-Mikro-Kalorimeter Vorrichtung werden an anderer Stelle ³ dargestellt. Die Einzelheiten des Wärme Eindringzeit Technik zur Wärmeleitfähigkeitsmessung und der Thermowellenanalyse (TWA) für Messungen der spezifischen Wärme in mikrofluidischen Vorrichtungen sind in dem Protokoll beschrieben.

Kalorimetrische Bio-chemischen Nachweis in Papierbasierte Mikrofluidik-Vorrichtung

Eine weitere Anwendung der thermischen Messung biochemischen Nachweis in papierbasierten Mikrofluidik. Die Kapillarwirkung in dieporöse Struktur von Papier trägt die Flüssigkeit und verhindert Blasen Einleitung Probleme in Mikrokanälen. Die häufigsten Erkennungsmechanismen in papierbasierten Mikrofluidik-Vorrichtungen sind optische oder elektrochemische Verfahren. Optische Detektions leidet hohe Komplexität und die Notwendigkeit der fortgeschrittenen Bildbearbeitungssoftware, um den erfassten Signal quantisieren. Elektro Detektionen ebenfalls begrenzt, weil sie nur auf Reaktionen, die aktiven Begleitprodukte angewendet werden. Die kürzlich eingeführten kalorimetrische papierbasierten biochemischen Sensorplattform ⁴ nutzt die Vorteile der papierbasierten Mikrofluidik-Systems und der markierungsfreien thermischen Detektionsmechanismus. Die Verfahren von kalorimetrischen Nachweis von Glucose unter Verwendung von Glucoseoxidase (GOD) Enzym in einem Papier-basierten mikrofluidischen Plattform werden im Protokollabschnitt dargestellt.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeiten der Wärmemesstechniken in mikrofluidischen Vorrichtungen zu zeigen. Das Gerät VORBEREITUn, flüssigen Probe Handhabung und Widerstandstemperaturfühler (RTD) Sensorversorgung und Messung sind in den folgenden Abschnitten vorgestellt.

Protocol

1. Thermische Particle Detection (TPD)

1. Bereiten Sie die Mikro-Silizium hergestellt Gerät mit einem Dünnschicht-Silizium-Nitrid-Membran und integriertem Temperatursensor durch Mikrobearbeitung unter Verwendung von Standard-Halbleiterverarbeitungstechnologie ^2. Spülen Sie das Gerät hergestellt mit deionisiertem (DI) Wasser.
   Hinweis: Das Herstellungsverfahren für die thermische Teilchendetektor Mikrofluidikvorrichtung in Vorveröffentlichung ² erläutert.
2. Um Polydimethylsiloxan (PDMS) Substraten mit Mikrokanäle zu erzeugen, erstellen Sie eine SU8 Form mit Standard-Lithographieverfahren ^5.
   Hinweis: Die Kanalgröße wird für jede spezifische Dimension Teilchens konzipiert.
   1. Machen PDMS durch Mischen eines 10: Verhältnis von Base (30 ml) 1 und Härter (3 ml). Gießen Sie die PDMS auf die Form und entfernen Sie die Luftblasen durch kurzzeitiges Aussetzen gegenüber einem Vakuum (5-10 min).
      Hinweis: Das Vakuumniveau ist kein kritischer Wert zum Entgasen und es sollte, bis die Gas bubb weiterhinles sind total aus gemischten PDMS entfernt.
   2. Legen Sie die Form auf einer Heizplatte (~ 70 ° C) für 2 Stunden, um die PDMS zu heilen. Dann ziehen Sie die PDMS sehr vorsichtig, um nicht um die Form zu beschädigen.
      Hinweis: Das Vakuumniveau ist kein kritischer Wert.
3. Mit einem manuellen Punsch, Punsch ein enges Loch (1 mm) für die PTFE-Schlauch an einem Ende. Verwenden Sie eine große Stempel (2 mm) auf der anderen Seite, um die PDMS ein Reservoir zu machen. Setzen Sie den Lochmikrokanal auf der Oberseite des Gerätes unter dem Mikroskop und richten Sie die FTE in der Mitte des Mikrokanals (Abbildung 1A).
4. In die elektrische Schnittstelle, die elektrischen Stifte verbinden an dem Kontaktfeld Positionen und straffen Sie die Spannschrauben. Sicherzustellen, dass die höhenverstellbare Pins (Pogo-Pins) an den richtigen Elektrodenanschlussflächen auf der Vorrichtung sitzen.
5. Verdünne 10 & mgr; l der konzentrierten PS Kügelchen in 100 & mgr; l DI-Wasser in einem 1,5-ml-Röhrchen.
6. Um den PS-Perlen bleiben neutral tariert zu gewährleisten, fügen Sie 2,7 ul Glycerin (1,26g / cm ^3), um DI-Wasser, um die Fluiddichte zu der Polystyrol (PS) Wulst Dichte (entsprechen 1,05 g / cm ^3).
7. Verbinden die PTFE-Röhre auf dem Kanal an einem Ende und dem anderen Ende an eine 1 ml Glasspritze. Füllen Sie den Glasspritze mit 0,5 ml DI-Wasser.
   Hinweis: Eng anliegende, indem Sie den richtigen Punch Größe Leckage in Rohre zu vermeiden.
8. Platzieren das DI-Wasser Spritze auf der computergesteuerten Spritzenpumpe. Schieben Sie das Wasser (5-20 & mgr; l / min) in den Kanal, den gesamten Kanal mit Flüssigkeit füllen den ganzen Weg in den Vorratsbehälter.
9. Last 10 ul ausgewogene Bead-Lösung in das Reservoir und die Einführung der Bead-Lösung mit dem Mikrokanal durch Änderung der Strömungsrichtung am Spritzenpumpe.
10. Schalten Sie die RTD durch Vorspannen 1 mA Gleichstrom durch den Computer gesteuerte Quelle / Meter, während die Messung der Beständigkeit von Source / Meter und zum Sortieren der Messdaten (Abbildung 2).
    Anmerkung: Während des Versuchs ist der Sensor vorgespannt ist; daher wird die Temperatur kontinuierlich bis zum Ende des Zählens Experiment gemessen. Der RTD-Sensor ist elektrisch durch Anlegen einer Gleichstrom im Bereich von 100 uA bis 1 mA, um die Temperatur bis zum Ende der Zählung Experiment messen kontinuierlich vorgespannt ist. Es ist entscheidend, die richtige Strompegel zu wählen, da es einen Kompromiß zwischen der Rauschpegel und der erfassten Signalamplitude. Die Spritzenpumpe wird verwendet, um die Strömung in Mikrokanal zu erzeugen. Auswählen eines geeigneten Strömungsgeschwindigkeit, um die TPD-Experiment durchzuführen, ist begrenzt auf die Geschwindigkeit der Messung. Diese Geschwindigkeit ist eine Funktion der thermischen Zeitkonstante der Vorrichtung und elektrische Messgeschwindigkeit. Die Ergebnisse der thermischen Teilchendetektion Experiments sind in Abbildung 3 dargestellt.
11. Verwenden Sie die entwickelten Datenverarbeitungssoftware (LabVIEW), um die gemessenen Daten zu Temperaturbeständigkeit konvertieren mit der Callendar-Van Dusen-Gleichung ^6.

2. ThermischeCharakterisierung von flüssigen Stoffen mit einem Mikro-Kalorimeter

1. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe der einge Chip Kalorimeter Vorrichtung (4A) ^3, um die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärme der Proben zu messen.
   Hinweis: Auf jeder sterben, gibt es 2 Mikro-Kalorimeter Kammern (4B). Jede Kammer 2 Eingängen und einem Ausgang. Und jede Kammer eine Heizung und einen RTD-Sensor integriert.
2. Legen Sie die Mikro-Kalorimeter Gerät auf der Gerätehalterung (4C). Richten Sie das Gerät auf die Mikrofluid-Ein- und Ausgänge mit den Halter Armaturen. Legen Sie die PDMS Siegelschicht auf der Oberseite des Gerätes.
3. Elektrische Verbindungsstifte Installation auf der Gerätehalterung und verriegeln Sie die Halterung schrauben.
   Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die höhenverstellbare Pogo Pins werden mit den elektrischen Kontaktstellen ausgerichtet sind.
4. Installieren Sie die mikrofluidische Trennschicht mit magnetischen Verriegelungen an der Gerätehalterung (4D). Schließen Sie den PTFE Rohren zu beiden Einlässen und dem Auslass. Verbinden einen Einlass zu der Probe belasteten Spritzenpumpe und Schließen des anderen, wenn die Enthalpie ist in diesem Fall nicht gemessen.
5. Verwenden eine entwickelte computergesteuerten Programms, um die Probe in den Mikrokanal und Kammern zu laden.
   Hinweis: Das Programm wird nicht fortFluss verwenden, um übermäßigen Druck auf die Dünnschicht suspendiert Kammer freizugeben.
   1. Laden Sie die 300 ul Probe in die Glasspritze und auf der Spritzenpumpe. Verwenden Sie sehr langsam (0,25 & mgr; l / min) konstante Durchflussmengen für hochviskose Proben (zB Glycerin und ionische Flüssigkeiten). Verwenden Sie ein Glycerin Probe für thermische Diffusionsmessungen und ionischen Flüssigkeiten für die Messungen der spezifischen Wärme.
6. Messungen
   1. Temperaturleitfähigkeit Messungen
      1. Schließen Sie das Setup-Messungen, wie in 5A gezeigt. Laden Sie das Glycerin Probe mit dem Mikro Kalorimeter Kammer. Führen Sie das modifizierte computergesteuerten Programm zur hea t Eindringen Zeitmessung.
      2. Verwenden Sie die kalibrierten Wärmedurch Gleichung Temperaturleitfähigkeit von der gemessenen Wärmedurchbruchzeit ⁷ berechnen:
         
         wobei α die thermische Diffusivität ist, L Dicke der Kammer ist, p die Dicke Kalibrierfaktors durch Fertigungsprozessvariation und t ₀ ist der Wärmedurchbruchzeit.
   2. Messungen der spezifischen Wärme
      1. Verwenden Sie den TWA Messaufbau wie in 5B gezeigt. Verwenden Sie die gleiche Probenladeprogramm und laden Sie die ionische Flüssigkeit in der Kammer. Führen Sie das Programm TWA, um die Amplitude der AC Temperaturschwankungen (∂ T _AC) und benutzen Sie spezifische Wärmeleitungsgleichung für die Berechnung der spezifischen, c _p, Wärme für jede ionische Flüssigkeit Probe ^8:
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         wobei C ₀ eingegeben Leistungskalibrierungsfaktor P _in ist Eingangsleistung ist ω Frequenz des Ansteuersignals ist, und m die Masse der flüssigen Probe.

3. Kalorimetrische biochemischen Nachweis in Papier-basierte Mikrofluidikvorrichtung

1. Verwenden mikro Dünnschicht (40-50 nm Nickel) RTD-Sensor. Herstellungsschritte für den RTD-Sensor werden in früheren Werken ⁴ erläutert.
2. Für papierbasierte Kanalherstellungs ^4, mit einem Messer, um den Plotter Papier schneiden mikrofluidischen Kanälen mit einem entworfenen Muster (L-Form). Legen Sie das Papier an der Spitze der Schneidmatte, legen Sie das Papier und die Schneidmatte zum Messer Plotter, und verwenden Sie die entsprechende Rezept, um die Mikrofluidkanäle ⁴ Papier geschnitten.
3. Für Gerät und Channel-Integration, verwenden Sie eine Acrylkleberschicht (5 & mgr; m), um das Papier auf der RTD-Sensor zu integrieren. Verwenden Sie ein sauberes blade, um das Papier in das Gerät schieben, und entfernen Sie Luftblasen (6A). Die Acrylfolie eine Klebeschicht, um das Papier über RTD-Sensor zu halten.
4. Für Enzymaktivierung, verwenden Sie 50 mM Natriumacetat-Puffer, um die GOD-Enzym zu aktivieren. 1 mg des Enzyms GOD zu 1 ml Natriumacetatpuffer, die 1 mg / ml Lösung herzustellen. Den pH-Wert der Lösung auf 5.1.
   Hinweis: Passen Sie die Menge an Essigsäure in der Natriumacetat-Puffer, um den pH-Wert der Lösung 5,1 zu halten.
5. Bias der FTE mit 1 mA Gleichstrom, um den RTD aktivieren und starten Sie die Messung der Widerstandsquelle / meter kontinuierlich während der Widerstand richtet sich nach dem Experiment (ca. 4 min).
   Hinweis: 6B zeigt den Messaufbau für die papierbasierte metrischen Tests.
6. Führen Sie die 2 ul der hergestellten GOD-Lösung in die Mitte des Papiers Mikrokanal (Immobilisierung Website) über eine Pipette. Die erfasste Temperatur (7A) beginnen muss to zu verringern.
   Hinweis: Durch die höhere Betriebstemperatur der RTD und Verdampfen der Probe zusammen Dieser Kühleffekt ist.
7. Um die Glucosekonzentration zu messen, stellen Standardglukosekontrolllösung ⁹ mit dem Kanaleingang und messen die Widerstandsänderung durch die Reaktion verursacht. Wiederholen Sie diesen Versuch mit allen verschiedenen Glukosekontrolllösungen (hohe, normale und niedrige Konzentrationen) und speichern Sie die Widerstandsdaten.
8. Verwendung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) für Nickel RTD und Callendar-Van Dusen, wandeln die Widerstandsänderung mit der Temperatur. Berechnen Sie die Konzentration der Glucose in jeder Probe unter Berücksichtigung der Reaktionsenthalpie von Glukose und die GOD-Enzym (Δ H = -80 kJ / mol) und unter Verwendung der Konzentration Gleichung ^10:
   
   wobei n _p ist molaren Konzentration, C erkannt & Delta; T wird berechnet Temperatur.

Representative Results

Abbildung 3 zeigt die graphische Darstellung der gemessenen thermischen Signals. Die erzeugten Signale in Gegenwart der Perlen mit entsprechenden optischen Bilder zeigen die erfolgreiche Erfassung der Mikrokugel PS Kügelchen in den Mikrokanal. Die thermische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, die durch den Mikro-Kanal verändert, um das Vorhandensein von PS Perlen zurückzuführen. Diese Änderung in der thermischen Leitfähigkeit des Kanals wird die Wärmeübertragung in den Mikrokanal zu beeinflussen. Die Änderung der Wärmeübertragung in der Mikrokanal durch RTD in Form von Widerstandsschwankung (3A und B) nachgewiesen.

Das erfasste Signal kann auch durch die Änderung der lokalen Strömungsfeld (3C und D), die die Wärmeübertragung in dem Kanal beeinflussen wird beeinträchtigt. Die Veränderung der thermischen Leitfähigkeit, die Temperatur zu erhöhen. Weiterhin können die lokalen Geschwindigkeitsänderungen des Mikrokanals basierendauf den vergleichbaren Abmessungen der PS Wulst zum Kanalgröße, was eine Zunahme der lokalen Wärmeübertragung. In diesem Fall ist der Effekt der Änderung der Wärmeübertragung dominant, wie er als Abfall erfasst Widerstand erscheint. Daher ist die Entsprechung der Kanalgröße mit einer Teilchengröße wesentlich TPD-Experiments. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die Fähigkeit der TPD Technik zum Zählen und Erfassen der Größe von Partikeln.

Der gemessene Wert der Wärmeleitzahl Glycerin 9,94 x 10 ^-8 m ² / s, das bis zu 8% des theoretischen Wertes ist. Tabelle 1 zeigt die gemessenen Werte der verschiedenen ionischen flüssigen Proben durch die Methode eingeführt. Um die Genauigkeit der Messung zu überprüfen, wurde die spezifische Wärme von Wasser mit der gleichen Technik mit weniger als 5% Fehler gemessen.

Die gemessenen Temperatursignals aufgrund der exothermen Reaktion von Glucose und GOD ist in 7A gezeigt. Ter Reaktionsbereich über die berechnete Mikrokanals beträgt 45% der Gesamtfläche. Die Konzentration errechnet, wird nur dieser Teil der Glucose in Betracht gezogen werden. Die endliche Geschwindigkeit der Glucoseoxidationsreaktion wird auch als Reaktionskinetik Faktor. Vergleichen der erfaßten Konzentration mit im Handel erhältlichen Glucose-Messgerät Ergebnisse (7B) zeigt eine höhere Präzision (<30%) in der hergestellten Vorrichtung.

Abbildung 1. Mikrofluidik-Vorrichtung zur thermischen Partikeldetektion. (A) Geräteschaltplan. (B) Querschnittsansicht der Partikeldetektion unter Verwendung des thermischen Messverfahren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Der Versuchsaufbau für die thermische Partikeldetektion (TPD). Ein computergesteuertes Quelle / Meter ist vorgesehen, um die RTD verwendet und den Widerstand. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Die Ergebnisse der thermischen Partikeldetektion. (A) Die Widerstandsänderung erfasst, wenn die 90 & mgr; m PS Wulst Bestehen der RTD-Sensor mit Durchflussrate von 5 ml / min. Das erklärt Änderung der Wärmeleitfähigkeit wird die Temperatur zu erhöhen und erscheinen in Form von Widerstandsänderung in der RTD-Widerstandsmessung. (B) das optische Bild dergleichen Wulst in 3A über den Sensor. (C) Das erfaßte Widerstandsänderung, wenn die 200 & mgr; PS Wulst Passieren der RTD-Sensors mit Flussrate von 5 ul / min. (D) Das optische Bild des gleichen Wulstes in 3C Gang der Sensor. Dieser Wert wurde mit Genehmigung verändert wurde aus ^[2]. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. Die auf dem Chip hergestellt Mikro Kalorimeter und der Gerätehalterung. (A) Ein Foto von mikro 3-dimensionalen On-Chip-Mikro-Kalorimeter suspendiert Gerät. Der Chip hat zwei identische Kammern, von denen jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang. (B) Die schematic des mikrobearbeiteten Mikro Kalorimeter Kammer. Die mikro RTD an der oberen Oberfläche des gefertigten Vorrichtung gezeigt. (C) Der Mikro Kalorimeter Vorrichtung an der Gerätehalterung angeordnet. (D) Der endgültige Aufbau des Mikro-Kalorimeter mit elektrischen und mikrofluidischen Verbindungen. Das Ergebnis der TWA für die Wärmekapazitätsberechnung verwendet. Dieser Wert wurde mit Genehmigung verändert wurde aus ^[3]. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. Die elektrischen Anschlüsse der thermischen Messaufbau mit dem Mikro-Kalorimeter Gerät. (A) Der Messaufbau für die Wärmedurchbruchzeit Analyse. Die gemessene Wärmedurchbruchzeit ist die Verwendung d für die Wärmeleitfähigkeit Berechnung. (B) Der Messaufbau für die Wärmewellenanalyse. Das Ergebnis der TWA für die Wärmekapazität Berechnung verwendet. Dieser Wert wurde mit Genehmigung verändert wurde aus ^[3]. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. (A) Das Schema der Papier-basierten Gerät. (B) Der Messaufbau für die Papier-basierten colorimetrischen Nachweis von Glucose. In dieser Konfiguration wird ein LabVIEW-gesteuerte Quelle / Meter (Keithley 2600) zum Vorspannen der RTD verwendet und gleichzeitig die Temperatur zu messen. Die gemessene Temperatur und die Zeit, während der Schaft wird gemessen gespeichert werden. In diesem Experiment Keithley 2600 schnellere Messung verwendet.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 7. Die Glukoseerfassungsergebnisse mit papierbasierten metrischen Sensor. (A) Ausgangssignal des Glukose und GOD Enzymreaktion. (B) Schlusserfassungsergebnisse der Glukosekontrollproben mit Papier-basierten Gerät im Vergleich zu kommerziellen Zuckermessgerät Ergebnisse. Dieser Wert wurde mit Genehmigung aus ^[4] wieder verwendet worden. "Angesichts Data" Konzentration der Glucose in den Erfassungsversuchen ermittelt.

	Beispiel	Gemessen Spezifische Wärme (J / g K)
1	[EMIM] [Tf2N]	2.75
2	[BMIM] [PF6]	2.83
3	[HMIM] [PF6]	0.86
4	[OMIM] [PF6]	2.55

^[3] Tabelle 1 Die gemessene spezifische Wärme von ionischen Flüssigkeiten mit TWA Technik mit On-Chip-Mikro-Kalorimeter. Diese Tabelle wurde mit Genehmigung aus veröffentlichten Daten modifiziert.

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