Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

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

Üç farklı mikro ölçekli ısı ölçüm teknikleri bu makalede sunulmuştur. mikroakışkan cihazlar üç farklı konfigürasyonu ısı parçacık algılama (TPD), ısı karakterizasyon (termal iletkenlik ve özgül ısı) ve kimyasal reaksiyonlar ve etkileşimleri kolorimetrik tespiti için kullanılır.

Termal Parçacık Algılama

Tespit etmek ve mikroakışkan cihazlar parçacıkların sayımı yaygın çevresel sanayi ve biyolojik uygulamalar ¹ kullanılır. TPD mikroakışkan cihazlar ² termik ölçümlerin yeni uygulamalardan biridir. Tespit ve partikül büyüklüğüne göre partiküllerin sayılması için ısı transferini kullanarak sistemin karmaşıklığı, maliyet ve büyüklüğünü azaltır. Diğer yöntemler, karmaşık optik veya kompleks elektrik ölçümler ve gelişmiş sinyal işleme yazılımında parçacıkların saptanması için kullanılır.

Termal CharaMikro-kalorimetre kullanarak sıvı maddelerin cterization

Sıvı örnek termal karakterizasyonu mikroakışkan cihazlarda ısı ölçüm ikinci uygulamasıdır. Mikro ölçekli kalorimetre Sahne örnek tüketimini azaltmak ve konvansiyonel dökme kalorimetre yöntemlerine göre daha yüksek tekrarlanabilirlik sunarak hassasiyetini artırır. çip üzerinde mikro kalorimetre cihazı kullanılarak ısı iletkenliği ve özgül ısı ölçümü için prosedürler başka ³ sunulmaktadır. ısıl iletkenlik ölçümü için ısı penetrasyon süresi tekniği ve mikroakışkan cihazlarda özgül ısı ölçümleri için termal dalga analizi (TWA) detayları protokol bölümünde açıklanmıştır.

Kalorimetrik Bio-Kimyasal Algılama Kağıt Tabanlı mikroakışkan Aygıt

Termal ölçüm başka bir uygulama kağıt tabanlı Mikroakiskan biyokimyasal algılama olduğunu. kılcal eylemiKağıdın gözenekli yapısı sıvıyı taşıyan ve mikro kanallarda kabarcık başlatma sorunlarını önler. kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlarda en yaygın algılama mekanizmaları, optik veya elektrokimyasal teknikler bulunmaktadır. Optik algılama yüksek karmaşıklık muzdarip ve gelişmiş görüntü işleme yazılımı gerekliliği tespit sinyalini nicemlemek için. Sadece, aktif yan ürünler üreten reaksiyonları uygulanabilir, çünkü elektrokimyasal bulgulama da sınırlıdır. Son zamanlarda tanıtılan Kalorimetre kağıt tabanlı biyokimyasal sensör platformu ⁴ kağıt tabanlı mikroakışkan sistemi ve etiket içermeyen termal algılama mekanizmasının yararlanır. Bir kağıt tabanlı mikroakışkan platformda glikoz oksidaz (GOD) enzimini kullanarak, glikoz kolorimetrik tespit prosedürleri protokolü bölümünde sunulmaktadır.

Bu yazının amacı, mikroakışkan cihazlarda ısı ölçüm teknikleri yeteneklerini göstermek için. Cihaz ilaçlan, sıvı numune alma ve direnç sıcaklık dedektörü (RTD) sensör uyarma ve ölçüm sonraki bölümlerde sunulmuştur.

Protocol

1. Termal Parçacık Algılama (TPD)

1. Standart yarıiletken işleme teknolojisi kullanarak ^2, mikroişleme bir ince film silisyum nitrür membran ve entegre sıcaklık sensörü ile mikro fabrikasyon silikon cihazını hazırlayın. Iyonu giderilmiş (Di) su ile imal cihazı durulayın.
   Not: Termal parçacık detektörü mikroakışkan cihaz için fabrikasyon yöntemi yayınlanmadan önce ² açıklanmıştır.
2. Mikro-kanallı polidimetilsiloksan (PDMS) alt tabakaları üretmek için, ⁵ süreçleri standart litografi kullanarak SU8 kalıp oluşturmak.
   Not: Kanal boyutu her özel parçacığın boyut için tasarlanmıştır.
   1. Baz 1 oranında, (30 mi) ve ajan (3 mi) kurutma: 10 karıştırılmasıyla PDMS sağlayın. Kalıp üzerine PDMS dökün ve kısaca bir vakum (5-10 dk) maruz kaldığında kabarcıkları.
      Vakum seviyesi gazdan arındırma için kritik bir değer değil ve gaz Bubb kadar devam etmelidir: Notles tamamen karışık PDMS kaldırılır.
   2. PDMS tedavisi için 2 saat için bir sıcak plaka (~ 70 ° C) kalıp yerleştirin. Kalıp zarar vermemek için daha sonra çok dikkatli PDMS soyulabilir.
      Not: Vakum seviyesi kritik bir değer değil.
3. Manuel bir zımba kullanılarak, bir ucunda PTFE tüp için sıkı bir delik (1 mm) zımba. PDMS bir rezervuar yapmak için diğer ucunda büyük bir yumruk (2 mm) kullanın. Mikroskop altında cihazın üstündeki delikli mikro-kanal yerleştirin ve mikro kanaldan (Şekil 1A) merkezinde RTD hizalayın.
4. Elektrik arayüzde, iletişim ped pozisyonlarda elektrik işaretçilerine bağlamak ve kilitleme vidaları sıkıştırın. Yüksekliği ayarlanabilir pimleri (Pogo pin) cihaza doğru elektrot pedleri oturup emin olun.
5. 1.5 ml bir tüp içinde DI su, 100 ul konsantre PS boncuk 10 ul seyreltilir.
6. (Gliserol 2.7 ul ekleyin, 1.26 boncuk nötr batmaz kalır PS sağlamak içing / ^cm3), DI suyuna karşı polistiren (PS), boncuk yoğunluğuna sıvı yoğunluğu (uygun olarak 1,05 g / ^cm3).
7. Bir ucunda kanal ve bir 1 ml'lik bir cam şırıngaya diğer ucuna PTFE tüp bağlayın. Dİ su, 0.5 ml bir cam şırınga doldurun.
   Not: tüplerde sızıntısını önlemek olacaktır sağ yumruk boyutu seçerek yapılan Sıkı uydurma.
8. Bilgisayar kontrollü şırınga pompası şırınga dolu distile su koyun. Sıvı ile rezervuara tüm yol, tüm kanal doldurmak için kanalın içine su (5-20 ul / dak) itin.
9. Rezervuara dengeli bir kordon 10 ul eriyik Yük ve şırınga pompası akış yönünü değiştirerek mikro kanal için boncuk çözeltisi getirmektedir.
10. (Şekil 2) kaynak / metre ile direnç ölçerken bilgisayar kontrollü kaynak / metre üzerinden DC akım 1 mA kutuplama ve ölçülen verileri sıralayarak RTD açın.
    Not: Deneme sırasında, sensör önyargılı olduğunu; Bu nedenle, sıcaklık sürekli olarak sayma deneyin sonuna kadar ölçülür. RTD sensörü elektriksel olarak sürekli sayma deneyin sonuna kadar sıcaklık ölçmek için 100 uA 1 mA aralığında bir DC akımı uygulanması ile gerilidir. Bu gürültü seviyesi ve algılanan sinyal genliği arasında bir trade-off olmadığından, doğru akım seviyesini seçmek için kritik öneme sahiptir. Şırınga pompası mikro-kanal akışını oluşturmak için kullanılır. TPD deneyi gerçekleştirmek için uygun bir akış hızı seçilmesi ölçüm hızı ile sınırlıdır. Bu hız cihazı ve elektrikli ölçüm hızı termal zaman sabitinin bir fonksiyonudur. Termal partikül tespit Deneyin sonuçları Şekil 3'te gösterilmiştir.
11. Callendar-Van Dusen denklemi ⁶ kullanarak sıcaklık ölçülen direnç verileri dönüştürmek için geliştirilen veri işleme yazılımı (LabVIEW) kullanın.

Termal 2.Mikro-kalorimetresi kullanılarak sıvı maddelerin karakterizasyonu

1. Bu işlemde, termal yayılma ve numunelerin özgül ısı ölçmek için çip üzerinde kalorimetre cihazı (Şekil 4A) ³ kullanın.
   Not: her kalıp üzerinde, 2 mikro kalorimetre odalar (Şekil 4B) vardır. Her bir odacık 2 giriş ve bir çıkışa sahiptir. Ve her bölme, bir ısıtıcı ve entegre bir ATG sensöre sahiptir.
2. Cihaz sahibinin (Şekil 4C) mikro-kalorimetre cihazı yerleştirin. Tutucu parçaları ile mikroakışkan girişi ve çıkışları cihazı aynı hizaya getirin. Cihazın üst kısmındaki PDMS conta katmanı yerleştirin.
3. Cihaz tutucu elektrik bağlantısı işaretçilerine takın ve tutucu vidaları kilitleyin.
   Not: Yüksekliği ayarlanabilir Pogo iğneler elektrik kontak ile uyumlu olduğundan emin olun.
4. Cihaz sahibinin (Şekil 4D) manyetik mandallı mikroakışkan arayüz katmanı yükleyin. PT geçFE koylar ve çıkış hem de tüpler. Numune yüklü şırınga pompası bir giriş bağlayın ve entalpisi, bu durumda ölçülen değil gibi, diğerini kapatın.
5. Mikro-kanal ve odalarına örnek yüklemek için geliştirilmiş bilgisayar kontrollü programı kullanın.
   Not: Program ince-film askıya odasının aşırı basınç serbest bırakmak için durdurulan akışını kullanır.
   1. Cam şırınga içine 300 ul örneği yükleyin ve şırınga pompası üzerine yerleştirin. Yüksek viskozite örneklerinde (örneğin, gliserol ve iyonik sıvılar) için çok yavaş (0.25 ul / dak) sabit akış oranlarını kullanın. Özgül ısı ölçümleri için ısıl yayınım ölçümleri ve iyonik sıvılar için gliserol örneği kullanın.
6. Ölçümler
   1. Isıl yayınım ölçümleri
      1. Şekil 5A'da gösterildiği gibi ölçümler setup bağlayın. Mikro-kalorimetre odasına gliserol örneği yükleyin. Hea için modifiye bilgisayar kontrollü programını çalıştırın t penetrasyon süresi ölçümü.
      2. Ölçülen ısı penetrasyon zaman ⁷ termal yayılma hesaplamak için kalibre ısı penetrasyon denklemini kullanın:
         
         α termik yayıcılığıdır, L odasının kalınlığı, s nedeniyle üretim süreci varyasyonuna kalınlığı kalibrasyon faktörü olduğunu, ve t, _0, ısı penetrasyonu zamandır.
   2. Özgül ısı ölçümleri
      1. Şekil 5B gösterildiği gibi TWA ölçüm kurulum kullanın. Aynı numune yükleme programı kullanın ve odanın içinde iyonik sıvı yükleyin. AC sıcaklık dalgalanmaları (∂ T _AC) genliğini almak için TWA programını çalıştırın ve hesaplamak için özgül ısı denklemini kullanan belirli, c _p, her iyonik sıvı numunesi ⁸ ısı:
         28eq2.jpg "width =" 117 "/>
         Cı ₀ giriş güç kalibrasyon faktörü olduğu, giriş gücü _P, ω çalıştırma sinyalinin frekansı ve m, sıvı numune ağırlığıdır.

Paper-based mikroakışkan Aygıt 3. Kalorimetrik Biyokimyasal Algılama

1. Microfabricated ince film (40-50 nm nikel) RTD sensörünü kullanın. RTD sensörü için fabrikasyon aşamaları önceki eserlerinde ⁴ açıklanmıştır.
2. Kağıt tabanlı kanal imalat ⁴ için kağıt tasarlanmış desen (L-şekil) ile mikroakışkan kanalları kesmek için bir bıçak plotter kullanın. Kesme mat üstünde kağıt yerleştirin kağıt ve bıçak çizici kesme mat yükleyin ve mikroakışkan kağıt kanalları ⁴ kesmek için uygun tarifi kullanabilirsiniz.
3. Cihaz ve kanal entegrasyonu için RTD sensörü Kağıdı entegre akrilik yapışkan tabaka (5 mikron) kullanın. Temiz bir b kullanınlade cihaza kağıdı itin ve hava kabarcıklar (Şekil 6A) kaldırın. akrilik filmi RTD sensörü üzerinde kağıt tutmak için bir yapışkan tabakasıdır.
4. Enzim aktivasyon için, GOD enzimi etkinleştirmek için 50 mM sodyum asetat tamponu kullanılır. 1 mg / ml çözelti yapmak için sodyum asetat tamponunun 1 ml'lik GOD enzim, 1 mg ekleyin. 5.1 çözeltinin pH ayarlayın.
   Not: çözeltinin 5.1 pH'ının muhafaza edilmesi için sodyum asetat tampon maddesi içinde, asetik asit miktarını ayarlayın.
5. Önyargı 1 mA DC akım ile RTD RTD etkinleştirmek ve direnç deney (~ 4 dk) sonra yerleşir ise sürekli direnç kaynağı / metre ölçüm başlatın.
   Not: Şekil 6B kağıt bazlı kalorimetrik testi için ölçüm kurulumunu göstermektedir.
6. Pipet aracılığıyla kağıt mikro kanaldan (hareketsizlik sitesi) merkezine hazırlanan ALLAH solüsyonu 2 ul tanıtın. tespit edilen sıcaklık (Şekil 7A) t başlamalıdıro azaltın.
   Not: Bu soğutma etkisi birlikte numune daha yüksek bir işletim RTD sıcaklık ve buharlaştırarak kaynaklanmaktadır.
7. Glikoz konsantrasyonunu ölçmek için, kanal girişine standart glukoz kontrol çözümü ⁹ tanıtmak ve reaksiyonun neden direnç değişimi ölçmek. Tüm (yüksek, normal ve düşük konsantrasyonlarda) farklı glukoz kontrol çözümleri ile bu denemeyi tekrarlayın ve direnç verileri kaydetmek.
8. Nikel RTD ve Callendar-Van Dusen denklemi direnci (TCR) sıcaklık katsayısı kullanarak, sıcaklık direnç değişikliği dönüştürün. Glikoz, reaksiyon toplu ısısına ve GOD enzim (Δ H = -80 kJ / mol) dikkate alınarak ve konsantrasyon denklem ¹⁰ kullanılarak her bir numunedeki glikoz konsantrasyonu hesaplanır:
   
   n, _p mol konsantrasyonu, Cı tespit edilir burada <sub> P sistemi ısı kapasitesi ve DT sıcaklığı hesaplanır.

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 techniques. In microfluidic device design, the optimization of thermal time constants must be considered. The thermal time constant is a function of the thermal mass and the thermal conductivity of the fabricated device, which are dependent on the material of each component. Using thin-film materials and micro-fabrication techniques allows reduction of the thermal mass of the system. The thermal conductivity is improved by using suspended structures and high thermal conductivity materials to reduce the thermal link to ambient conditions. Also it is important to control the ambient temperature to avoid measurement disturbances by using a thermal isolation.

The thin film RTD offers high sensitivity and linear temperature measurement in the introduced devices over a wide range of temperatures. The thermal and the electronic measurement noises are the constraints for the resolution with the introduced techniques.

Microfluidic devices with thermal measurement methods are capable of performing different physical and chemical measurements within the RTD linear measurement range. These techniques could also be useful for different chemical and bio-sample reaction and interaction detection for point-of-care applications and sample characterization. The introduced techniques are able to perform measurements from the tissue level to the single cell level.

Materials

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