Thermische Meettechnieken in Analytical Microfluïdische Devices
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
Drie verschillende micro-schaal thermische meettechnieken worden gepresenteerd in dit artikel. De drie verschillende configuraties van microfluïdische inrichtingen worden gebruikt voor thermische partikeldetectie (TPD), thermische karakterisering (thermische geleidbaarheid en de soortelijke warmte) en calorimetrische detectie van chemische reacties en interacties.
Thermische Particle Detection
Het detecteren en tellen van deeltjes in microfluïdische inrichtingen wordt veel gebruikt voor het milieu, industriële en biologische toepassingen 1. TPD is een van de nieuwe toepassingen van thermische metingen in microfluïdische inrichtingen 2. Met warmteoverdracht voor het detecteren en tellen van deeltjes op basis van de deeltjesgrootte vermindert de complexiteit, kosten en grootte van het systeem. In andere werkwijzen, complexe optische of complexe elektrische metingen en geavanceerde signaalverwerking software worden gebruikt voor het detecteren van deeltjes.
Thermische Characterization van vloeibare stoffen met behulp van micro-Calorimeter
Vloeibaar monster thermische karakterisering is de tweede toepassing van thermische metingen in microfluïdische apparaten. Het uitvoeren van micro-schaal calorimetry zal het monster verbruik te verminderen en verhoging van de precisie door het aanbieden van hogere herhaalbaarheid ten opzichte van conventionele, bulk calorimetrie methoden. De procedures voor de thermische geleidbaarheid en soortelijke warmte metingen met behulp van de on-chip micro-calorimeter apparaat worden elders 3 gepresenteerd. De data van warmte penetratietijd techniek warmtegeleidingsvermogen meten en thermische golfanalyse (TWA) te soortelijke warmte metingen in microfluïdische inrichtingen worden beschreven in de sectie protocol.
Calorimetrische Bio-chemische detectie in Paper-Based microfluïdische apparaat
Een andere toepassing van de thermische meting biochemische detectie in papieren microfluidics. De capillaire werking in deporeuze structuur papier draagt de vloeistof en voorkomt bubble initiatie problemen in microkanalen. De meest voorkomende detectie mechanismen in papier gebaseerde microfluïdische apparaten zijn optische of elektrochemische technieken. Optische detectie lijdt aan een hoge complexiteit en de noodzaak van geavanceerde beeldverwerking software om de gedetecteerde signaal te kwantiseren. Elektrochemische detecties zijn ook beperkt, omdat zij slechts kunnen worden toegepast op reacties die actieve bijproducten produceren. De onlangs geïntroduceerde colorimetrische papieren biochemische sensor platform 4 maakt gebruik van de papieren microfluïdische systeem en de thermische detectiemechanisme label-free. De procedures van de colorimetrische detectie van glucose die glucose oxidase (GOD) enzym in een papieren microfluïdische platform worden in het protocol.
Het doel van dit document is om de mogelijkheden van thermische meettechnieken in microfluïdische apparaten te demonstreren. Het apparaat VOORBEREIDIn, vloeibaar monster handling en weerstand temperatuur detector (RTD) sensor excitatie en meting worden gepresenteerd in de volgende paragrafen.
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
Gedeeltelijke financiële steun voor dit werk werd geleverd door de Amerikaanse National Science Foundation door de industrie / University Cooperative Research Center on Water Equipment & Beleid gevestigd aan de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee (IIP-0.968.887) en Marquette University (IIP-0.968.844). Wij danken Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang en Shankar Radhakrishnan voor behulpzaam discussies.
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).
