Summary

Techniques de mesure thermiques dans les dispositifs microfluidiques analytiques

Published: June 03, 2015
doi:

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

Trois techniques différentes de mesure thermiques à micro-échelle sont présentés dans cet article. Les trois configurations différentes de dispositifs microfluidiques sont utilisés pour la détection thermique des particules (TPD), la caractérisation thermique (conductivité thermique et la chaleur spécifique), et détection colorimétrique des réactions chimiques et des interactions.

Détection de particules thermique

Détection et le comptage des particules dans des dispositifs microfluidiques est largement utilisé pour des applications environnementales, industrielles et biologiques 1. DPT est l'une des nouvelles applications de mesures thermiques dans des dispositifs microfluidiques 2. Utilisation de transfert de chaleur pour la détection et le comptage des particules en fonction de la taille des particules réduit la complexité, le coût et la taille du système. Dans d'autres procédés, l'optique complexes ou des mesures électriques complexes et logiciel avancé de traitement de signal sont utilisés pour détecter des particules.

Chara thermiquecterization de substances liquides utilisant des micro-calorimètre

Caractérisation thermique échantillon liquide est la deuxième application de la mesure thermique dans des dispositifs microfluidiques. Exécution calorimétrie à micro-échelle permettra de réduire la consommation de l'échantillon et augmenter la précision en offrant une répétabilité élevée par rapport à des méthodes classiques de calorimétrie vrac. Les procédures pour la conductivité thermique et mesure de la chaleur spécifique en utilisant le dispositif de micro-calorimètre sur puce sont présentées ailleurs 3. Les détails de la technique de temps de pénétration de la chaleur pour la mesure de la conductivité thermique et l'analyse de l'onde thermique (TWA) pour des mesures spécifiques de chaleur dans des dispositifs microfluidiques sont décrits dans la partie protocole.

Dispositif microfluidique calorimétrique Bio-chimique de détection dans Paper-Based

Une autre application de mesure thermique est la détection biochimique en microfluidique à base de papier. L'action capillaire dans lestructure poreuse de papier porte le liquide et évite bulles problèmes d'initiation dans des micro-canaux. Les mécanismes de détection les plus communs dans les dispositifs microfluidiques sur support papier sont des techniques optiques ou électrochimiques. La détection optique souffre d'une grande complexité et de la nécessité de logiciels avancés de traitement d'image à quantifier le signal détecté. Détections électrochimiques sont également limitées car ils ne peuvent être appliquées à des réactions qui produisent des sous-produits actifs. La plate-forme de capteur calorimétrique biochimique à base de papier récemment introduit quatre tire parti du système microfluidique à base de papier et le mécanisme de détection thermique sans étiquette. Les procédures de détection colorimétrique du glucose utilisant la glucose oxydase (GOD) enzyme dans une plate-forme microfluidique à base de papier sont présentés dans la section de protocole.

Le but de cet article est de démontrer les capacités de techniques de mesure thermiques dans des dispositifs microfluidiques. Le dispositif PRÉPARATIOn, échantillon liquide détecteur manipulation et la résistance température (RTD) excitation du capteur et la mesure sont présentés dans les sections suivantes.

Protocol

1. Détection de particules thermique (DPT) Préparer le dispositif en silicium micro-fabriqué avec une membrane de nitrure de silicium à couche mince et capteur de température intégré par micro-usinage, en utilisant la technologie semiconducteur standard de traitement 2. Rincer le dispositif fabriqué avec (DI) de l'eau déminéralisée. Note: La méthode de fabrication de détecteur de particules thermique dispositif microfluidique est expliqué dans la publication préalable <sup…

Representative Results

Figure 3 montre le tracé du signal thermique mesurée. Les signaux générés en présence des perles avec des images optiques correspondantes montrent la détection réussie des billes de PS microsphère dans le micro-canal. La conductivité thermique du liquide passant à travers le micro-canal est en train de changer à cause de la présence de billes de PS. Cette modification de la conductivité thermique du canal affecte le transfert de chaleur dans la micro-canal. Le changement dans le transfert …

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

Un soutien financier partiel pour ce travail a été fourni par la National Science Foundation des États-Unis à travers le Centre de recherche coopérative de l'industrie / université sur les équipements et Politique situé à l'Université de Wisconsin-Milwaukee (PII-0968887) et de l'Université Marquette (PII-0968844) eau. Nous remercions M. Glenn Walker, Woo-Jin Chang et Shankar Radhakrishnan pour des discussions utiles.

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

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Cite This Article
Davaji, B., Lee, C. H. Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (100), e52828, doi:10.3791/52828 (2015).

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