Tecniche di misurazione termali in Analytical dispositivi microfluidici
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 differenti tecniche di misura termiche micro-scala sono presentati in questo articolo. Le tre diverse configurazioni di dispositivi microfluidici sono utilizzati per la rilevazione termica delle particelle (TPD), caratterizzazione termica (conducibilità termica e calore specifico), e la rilevazione calorimetrico di reazioni chimiche e interazioni.
Rilevazione particelle termica
Rilevazione ed il conteggio di particelle in dispositivi microfluidici è ampiamente usato per applicazioni ambientali, industriali e biologici 1. TPD è una delle nuove applicazioni delle misure termiche in dispositivi microfluidici 2. Utilizzando il trasferimento di calore per rilevazione ed il conteggio di particelle in base alla dimensione delle particelle riduce la complessità, il costo e le dimensioni del sistema. In altri metodi, ottiche complesse o misure elettriche complessi e avanzati software di elaborazione del segnale sono utilizzati per rilevare le particelle.
Chara termicacterization di sostanze liquide Utilizzando Micro-calorimetro
Caratterizzazione termica campione liquido è la seconda applicazione della misurazione termica in dispositivi microfluidici. Esecuzione di calorimetria micro-scala ridurrà il consumo di campione e aumentare la precisione, offrendo maggiore ripetibilità rispetto ai tradizionali metodi calorimetria rinfusa. Le procedure per la conducibilità termica e la misurazione calore specifico utilizzando il dispositivo on-chip micro-calorimetro sono presentati altrove 3. I dettagli della tecnica tempo di penetrazione di calore per la misura della conducibilità termica e l'analisi dell'onda termica (TWA) per specifiche misure di calore in dispositivi microfluidici sono descritti nella sezione del protocollo.
Calorimetrico Bio-chimica di rilevamento in cartaceo dispositivo a microfluidi
Un'altra applicazione di misura termico è la diagnosi biochimica in microfluidica cartacei. L'azione capillare instruttura porosa di carta porta il liquido ed evita problemi bolla iniziazione a micro-canali. I meccanismi di rilevazione più comuni in dispositivi microfluidici cartacei sono tecniche ottici o elettrochimici. Rilevamento ottico soffre di elevata complessità e la necessità di software avanzato di elaborazione delle immagini per quantizzare il segnale rilevato. Rilevazioni elettrochimiche sono limitati perché possono essere applicati solo a reazioni che producono sottoprodotti attivi. Il calorimetrica cartaceo piattaforma sensore biochimico recentemente introdotto 4 sfrutta il sistema di microfluidica cartaceo e il meccanismo di rilevamento termico senza etichetta. Le procedure di rilevazione calorimetrica di glucosio utilizzando glucosio ossidasi (GOD), enzima in una piattaforma microfluidica cartaceo sono presentati nella sezione del protocollo.
L'obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare le capacità tecniche di misura termici nei dispositivi microfluidici. Il preparatio dispositivon, campione liquido rivelatore maneggevolezza e resistenza alla temperatura (RTD) Sensore di eccitazione e la misurazione sono presentate nei prossimi paragrafi.
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
Sostegno finanziario parziale per questo lavoro è stato fornito dalla US National Science Foundation attraverso la Industria / Università Cooperative Research Center on Equipment Water & Policy situato presso la University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0.968.887) e Marquette University (IIP-0.968.844). Ringraziamo Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang e Shankar Radhakrishnan per le discussioni utili.
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).
