Termiske Måleteknikker i Analytical mikrofluidenheder
Summary
Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.
Abstract
Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.
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
Representative Results
Discussion
Different thermal measurement techniques in microfluidic devices and their respective setup procedures are presented in this work. These thermal measurement methods such as thermal conductivity monitoring, thermal penetration time, amplitude of AC thermal fluctuations, and amplitude measurement of the generated heat are used to detect specific substances and investigate different reactions and interactions.
The thermal time constant plays a key role in the aforementioned thermal measurement t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Delvis finansiel støtte til dette arbejde blev leveret af den amerikanske National Science Foundation gennem Industri / University Cooperative Research Center on Water Equipment & Policy placeret på University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0968887) og Marquette University (IIP-0.968.844). Vi takker Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang og Shankar Radhakrishnan for nyttige diskussioner.
Materials
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| PS beads – 90 um | Corpuscular | 100265 | |
| PS beads – 200 um | 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. , (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). , (1999).
