Técnicas de Medição térmicos em analíticos microfluídicos

Introduction

Três técnicas de medição térmica de micro-escala diferentes são apresentados neste artigo. As três configurações diferentes de dispositivos microfluidicos são utilizados para a detecção térmica de partículas (TPD), caracterização térmica (condutividade térmica e calor específico), e calorimetria de detecção de reacções químicas e interacções.

Detecção de partículas térmica

Detecção e contagem de partículas em dispositivos microfluídicos é amplamente utilizado para aplicações ambientais, industriais e biológicos ^1. TPD é uma das novas aplicações de medições térmicas em dispositivos microfluídicos ^2. Usando a transferência de calor para a detecção e contagem de partículas com base no tamanho de partícula reduz a complexidade, custo e tamanho do sistema. Em outros métodos, óptica complexos ou medições elétricas complexas e software avançado de processamento de sinal são utilizados para a detecção de partículas.

Chara térmicacterization de substâncias líquidas Usando Micro-Calorimeter

Líquido caracterização térmica da amostra é a segunda aplicação de medição térmica em dispositivos microfluídicos. Executando calorimetria micro-escala vai reduzir o consumo de amostra e aumentar a precisão, oferecendo maior repetibilidade, em comparação com métodos de calorimetria granel convencionais. Os procedimentos de medição de condutividade térmica e calor específico usando o dispositivo micro-calorímetro on-chip são apresentados em outros lugares ^3. Os detalhes da técnica o tempo de penetração de calor para a medição da condutividade térmica e a análise de onda térmica (TWA) para medições específicas de calor em dispositivos de microfluidos são descritos na secção de protocolo.

Dispositivo micro-Base de Papel Calorimétrico Bio-Chemical Detection em

Outra aplicação de medição térmica é a detecção bioquímica em microfluidos baseados em papel. A acção capilar noestrutura porosa de papel transporta o líquido e evita problemas de iniciação bolha em micro-canais. Os mecanismos de detecção mais comuns em dispositivos microfluídicos baseados em papel são técnicas ópticas ou eletroquímicos. Detecção óptica sofre de alta complexidade ea necessidade de software avançado de processamento de imagem para quantificar o sinal detectado. Detecções electroquímica também é limitado dado que eles só podem ser aplicadas a reacções que produzem subprodutos activas. O sensor bioquímica plataforma calorimétrico à base de papel recentemente introduzida ⁴ leva vantagem de o sistema de microfluidos à base de papel e o mecanismo de detecção térmica livre de marcador. Os procedimentos de detecção de glucose através de calorimetria de enzima glucose oxidase (GOD) em uma plataforma de microfluidos à base de papel são apresentados na secção de protocolo.

O objetivo deste artigo é demonstrar as capacidades de técnicas termais de medição em dispositivos microfluídicos. O dispositivo preparation, amostra de líquido detector manuseio e resistência à temperatura (RTD) de excitação do sensor e medição são apresentados nas próximas seções.

Protocol

1. A detecção de partículas térmica (TPD)

1. Prepare o dispositivo de silício micro fabricado com uma película fina membrana de nitreto de silício e sensor de temperatura integrado por micromachining, usando a tecnologia de processamento de semicondutores padrão ^2. Lavar o dispositivo fabricado com deionizada (DI) de água.
   Nota: O processo de fabrico para o detector de partículas térmica dispositivo de microfluidos é explicado na publicação prévia ^2.
2. Para produzir PDMS (polidimetilsiloxano) substratos com micro-canais, criar um molde SU8 utilizando litografia padrão processa ^5.
   Nota: O tamanho do canal é projetado para a dimensão de cada partícula específico.
   1. Adicione PDMS por mistura de uma proporção de 10: 1 da base (30 ml) e agente (3 ml) a cura. Verter o PDMS em que o molde e remover as bolhas por exposição breve a um vácuo (5-10 min).
      Observação: O nível de vácuo não é um valor crítico para a desgaseificação e que deve continuar até que o gás bubbles são totalmente removido do PDMS mistos.
   2. Coloque o molde sobre uma placa quente (~ 70 ° C) durante 2 horas para curar o PDMS. Em seguida, retire as PDMS com muito cuidado para não danificar o molde.
      Observação: O nível de vácuo não é um valor crítico.
3. Usando um manual punch, perfurar um buraco apertado (1 mm) para o tubo de PTFE em uma extremidade. Utilizar um grande punção (2 mm) na outra extremidade para fazer o PDMS um reservatório. Inserir o micro-canal perfurado na parte superior do dispositivo sob o microscópio e alinhar o RTD no centro do micro-canal (Figura 1A).
4. Na interface elétrica, conecte os pinos elétricos nas posições de placa de contato e apertar os parafusos de fixação. Certifique-se os pinos com altura ajustável (Pogo pinos) sentar-se nas almofadas de eletrodo corretas no dispositivo.
5. Dilui-se 10 ul das esferas PS concentradas em 100 ul de água desionizada num tubo de 1,5 ml.
6. Para garantir o PS grânulos permanecem flutuabilidade neutra, adicionar 2,7 mL de glicerol (1,26g / cm ³⁾ a água desionizada para coincidir com a densidade do fluido para o poliestireno (PS) a densidade do grânulo (1,05 g / cm ^3).
7. Ligar o tubo de PTFE para o canal em uma extremidade e a outra extremidade a uma seringa de vidro de 1 ml. Encha a seringa de vidro com 0,5 ml de água DI.
   Nota: ajustada feita selecionando o tamanho soco direito vai evitar vazamentos em tubos.
8. Coloque a água Dl preenchido na seringa da bomba de seringa controlada por computador. Empurrar a água (5-20 ul / min) para dentro do canal para preencher todo o canal com o fluido por todo o caminho para o reservatório.
9. Carregar 10 ml de solução equilibrada grânulo para o reservatório e introduzir a solução do grânulo para o micro-canal, alterando a direcção do fluxo na bomba de seringa.
10. Ligue o RTD por polarização de 1 mA de corrente DC através da controlada computador de origem / metro ao medir a resistência por fonte / metro e classificando os dados medidos (Figura 2).
    Nota: Durante o experimento, o sensor é tendenciosa; por conseguinte, a temperatura é medida continuamente até ao final da experiência de contagem. O sensor RTD é electricamente polarizado através da aplicação de uma corrente DC na gama de 100 uA a 1 mA para medir continuamente a temperatura até ao fim da experiência de contagem. É crítico para selecionar o nível atual uma vez que existe um trade-off entre o nível de ruído e a amplitude do sinal detectado. A bomba de seringa é utilizada para gerar o fluxo em micro-canal. Seleccionar um caudal apropriado para a realização da experiência TPD é limitada à velocidade da medição. Esta velocidade é uma função da constante de velocidade e o dispositivo eléctrico de medida de tempo térmica. Os resultados da experiência de detecção térmica de partículas são mostrados na Figura 3.
11. Utilize o software de processamento de dados desenvolvido (LabVIEW) para converter os dados de resistência medidos a temperatura utilizando a equação de Callendar-Van Dusen ^6.

2. térmicaCaracterização de substâncias líquidas Usando um Micro-calorímetro

1. Neste processo, utilizar o dispositivo no chip calorímetro (Figura 4A) ³ para medir a difusividade térmica e calor específico das amostras.
   Nota: Em cada morrer, há duas câmaras micro-calorímetro (Figura 4B). Cada câmara tem duas entradas e uma saída. E cada uma das câmaras tem um aquecedor e um sensor integrado de IDT.
2. Colocar o dispositivo de micro-calorímetro localizado no suporte do dispositivo (Figura 4C). Alinhe o dispositivo para as entradas e saídas de microfluídicos com os acessórios titular. Coloque a camada de selagem de PDMS na parte superior do dispositivo.
3. Instale pinos de conexão elétrica no suporte do dispositivo e bloquear os parafusos do suporte.
   Nota: Certifique-se os Pogo pinos ajustáveis ​​em altura estão alinhados com as almofadas de contato elétrico.
4. Instale a camada de interface microfluídico com travas magnéticas para o suporte de dispositivo (Figura 4D). Conecte o PTFE tubos para ambas as entradas e da saída. Conectar uma entrada da bomba de seringa carregadas com amostra e fechar a outra, como a entalpia não é medida, neste caso.
5. Utilizar um programa controlado por computador desenvolvido para carregar a amostra para o micro-canais e câmaras.
   Nota: O programa usará fluxo descontinuada para liberar a pressão excessiva no compartimento suspensos de película fina.
   1. Coloque a amostra de 300 ul para a seringa de vidro e coloque-o sobre a bomba de seringa. Use (0,25 mL / min) taxas de fluxo constantes muito lentas para amostras de alta viscosidade (por exemplo, glicerol e líquidos iônicos). Use uma amostra de glicerol para medidas de difusividade térmica e líquidos iônicos para medidas de calor específico.
6. Medições
   1. Medidas de difusividade térmica
      1. Ligue a configuração medições, como mostrado na Figura 5A. Carregar a amostra de glicerol para a câmara de micro-calorímetro. Execute o programa de computador controlado modificado para hea t penetração medição do tempo.
      2. Use a equação penetração de calor calibrado para calcular difusividade térmica a partir do momento penetração de calor medido ^7:
         
         onde α é difusividade térmica, L é a espessura da câmara, p é o factor de calibração da espessura devido à variação do processo de fabricação, e t ₀ é o tempo de penetração de calor.
   2. Medidas de calor específico
      1. Utilizar a configuração de medição TWA como mostrado na Figura 5B. Utilizar o mesmo programa de carregamento de amostra e carregar o líquido iónico na câmara. Executar o programa TWA para obter a amplitude das flutuações de temperatura AC (∂ T _AC) e utilizar a equação de calor específico para calcular o específico, c _p, de calor para cada amostra de líquido iónico ^8:
         "Width =" 117 28eq2.jpg "/>
         onde C é ₀ factor de calibração de potência de entrada, P representa _na potência de entrada, ω é a frequência do sinal de actuação, e m é a massa da amostra líquida.

3. Calorimétrico Detecção Biochemical em dispositivos microfluídicos baseados em papel

1. Use microfabricated película fina (40-50 nm níquel) sensor RTD. Etapas de fabricação para o sensor RTD são explicados em trabalhos anteriores ^4.
2. Para o canal de fabricação baseado em papel ^4, use um plotter faca para cortar o papel canais microfluídicos com um padrão projetado (L-forma). Coloque o papel em cima da esteira de corte, coloque o papel eo tapete de corte para o plotter faca, e usar a receita adequada para cortar os canais microfluídicos de papel ^4.
3. Por dispositivo e canais de integração, utilizar uma camada adesiva acrílica (5 uM) para integrar o papel sobre o sensor RTD. Use a b limpolade para empurrar o papel para o dispositivo e remover as bolhas de ar (Figura 6A). O filme acrílico é uma camada adesiva para segurar o papel sobre sensor RTD.
4. Para a activação da enzima, utilizam tampão acetato de sódio 50 mM para activar a enzima GOD. Adicionar 1 mg de enzima GOD para 1 ml de tampão de acetato de sódio para tornar a solução 1 mg / ml. Ajustar o pH da solução para 5,1.
   Nota: Ajustar a quantidade de ácido acético em tampão de acetato de sódio para manter o pH da solução 5,1.
5. Viés do IDT com 1 mA de corrente DC para ativar o IDT e começar a medir a fonte de resistência / metro continuamente enquanto a resistência se estabelece após o experimento (~ 4 min).
   Nota: A Figura 6B mostra a configuração de medição para o teste calorimétrico à base de papel.
6. Introduzir os 2 ul da solução de GOD preparado para o centro do micro-canal de papel (local imobilização) através de uma pipeta. A temperatura detectada (Figura 7A) deve começar tO diminuir.
   Nota: O efeito de arrefecimento é devido à temperatura mais elevada a operação de RTD e evaporação da amostra em conjunto.
7. Para medir a concentração de glucose, introduzir a solução de controlo de glucose padrão ⁹ para a entrada do canal e medir a alteração da resistência causada pela reacção. Repita essa experiência com todas as soluções de controle de glicose diferentes (alto, normal e baixas concentrações) e salvar os dados de resistência.
8. Utilizando o coeficiente de temperatura de resistência (TCR) por RTD níquel e equação de Callendar-Van Dusen, converter a alteração da resistência à temperatura. Calcula-se a concentração da glicose em cada amostra, considerando a entalpia de reacção da glucose e a enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mol) e utilizando a equação de concentração ^10:
   
   onde n _p é detectada uma concentração molar, C AT é calculada temperatura.

Representative Results

A Figura 3 mostra o gráfico do sinal térmico medido. Os sinais gerados na presença dos grânulos com imagens ópticas correspondentes mostram a detecção com sucesso das microesferas PS no micro-canal. A condutividade térmica do líquido que passa através do microcanal está a mudar devido à presença de grânulos de PS. Esta alteração na condutividade térmica do canal está a afectar a transferência de calor no micro-canal. A alteração na transferência de calor no micro-canal é detectado por RTD na forma de flutuação resistência (Figura 3A e B).

O sinal detectado pode também ser afectada pela alteração no campo de escoamento local (Figura 3C e D), o que irá afectar a transferência de calor no canal. A alteração na condutividade térmica aumenta a temperatura. Além disso, as alterações da velocidade local do micro-canal baseadosobre as dimensões comparáveis ​​do grânulo PS para o tamanho do canal, provocando um aumento na transferência de calor local. Neste caso, o efeito das alterações na transferência de calor é dominante, uma vez que aparece como uma diminuição na resistência detectada. Portanto, o tamanho do canal de correspondência com o tamanho de partícula é essencial para a TPD experimento. Os presentes resultados demonstram a capacidade da técnica de TPD de contar e detectar o tamanho das partículas.

O valor medido da difusividade térmica de glicerol é de 9,94 x 10 ^{-8 2} m / seg, o que está dentro de 8% do valor teórico. A Tabela 1 mostra os valores medidos de diferentes amostras de líquido iónico por método introduzido. Para verificar a precisão da medição, o calor específico da água foi medida utilizando a mesma técnica com menos de 5% de erro.

O sinal de temperatura detectado devido à reacção exotérmica de glicose e GOD é mostrado na Figura 7A. Tele área de reacção sobre o micro-canal é concebido de 45% da área total. Para calcular a concentração, só que desta porção de glicose será considerado. A taxa finita da reacção de oxidação de glicose é também considerado como um factor de cinética da reacção. Comparando a concentração detectada com resultados do medidor de glucose comerciais disponíveis (Figura 7B) mostra uma precisão mais elevada (<30%), no dispositivo fabricado.

Figura 1. Dispositivo de microfluidos para a detecção de partículas térmica. (A) esquema de dispositivos. (B) vista em corte transversal da detecção de partículas utilizando o método de medição térmica. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. A configuração experimental para a detecção de partículas térmica (TPD). Uma fonte / metro controlado por computador é usado para influenciar o IDT e medir a resistência. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Resultados de detecção térmica de partícula. (A) A alteração da resistência detectada quando o PS 90 um talão é passar o sensor RTD com velocidade de fluxo de 5 ul / min. A mudança explicado na condutividade térmica aumenta a temperatura e aparecem sob a forma de alteração da resistência na medição de resistência IDT. (B) A imagem óptica domesmo grânulo na Figura 3A que passa pelo sensor. (C) A alteração da resistência detectada quando o PS 200 um talão é passar o sensor RTD com velocidade de fluxo de 5 ul / min. (D) A imagem óptica do mesmo grânulo na Figura 3C passagem o sensor. Esta figura foi modificado com a permissão de ^[2]. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. A on-chip fabricados micro-calorímetro e o suporte de dispositivo. (A) Uma fotografia de micromecânica de 3-dimensional dispositivo suspenso de micro-calorímetro on-chip. O chip tem duas câmaras iguais, cada um dos quais tem duas entradas e uma saída. (B) A schematic da câmara de micro-calorímetro microusinado. O microusinado RTD é mostrado na superfície superior do dispositivo fabricado. Dispositivo (C) O micro-calorímetro é colocado no suporte do dispositivo (D). A configuração final da micro-calorímetro com as ligações eléctricas e de microfluidos. O resultado de TWA é utilizado para o cálculo da capacidade de calor. Esta figura foi modificado com a permissão de ^[3]. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. As ligações eléctricas da configuração de medição térmica com o dispositivo de micro-calorímetro. (A) A configuração de medição para análise de calor o tempo de penetração. O tempo de penetração de calor medida é o uso d para o cálculo da condutividade térmica. (B) A configuração de medição para análise de onda térmica. O resultado de TWA é utilizado para o cálculo da capacidade de calor. Esta figura foi modificado com a permissão de ^[3]. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. (A) O esquema do dispositivo à base de papel. (B) A configuração de medição para a detecção calorimétrico à base de papel de glicose. Nesta configuração, uma fonte / metro controlado por LabVIEW (Keithley 2600) é usado para influenciar o RTD e medir a temperatura simultaneamente. A temperatura medida e a haste de tempo será armazenado enquanto está a ser medido. Nesta experiência Keithley 2600 é usado para a medição mais rapidamente.https://www.jove.com/files/ftp_upload/52828/52828fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. Os resultados de detecção da glicose com sensor de calorimetria em suporte de papel. (A) Sinal de saída da glicose e reação enzimática DEUS. (B) os resultados da detecção final de amostras de controle de glicose com dispositivo baseado em papel em comparação com os resultados dos medidores de glicose comerciais. Este número foi reutilizado com permissão do ^[4]. "Dados Dado" é calculada a concentração de glicose nas experiências de detecção.

	Amostra	Medido calor específico (J / g K)
1	[Emim] [Tf2N]	2.75
2	[BMIM] [PF6]	2.83
3	[HMIM] [PF6]	0.86
4	[OMIM] [PF6]	2.55

Tabela 1. O calor específico medido de líquidos iônicos utilizando a técnica TWA com micro-calorímetro on-chip. Este quadro foi modificado com a permissão de dados publicados ^[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