Summary

Técnicas de Medição térmicos em analíticos microfluídicos

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

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) 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. Para pro…

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…

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

Apoio financeiro parcial para este trabalho foi fornecida pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA através do Centro de Pesquisa Cooperativa Indústria / Universidade de Equipamentos & Política localizado na Universidade de Wisconsin-Milwaukee (IIP-0968887) e da Universidade de Marquette (IIP-0.968.844) de água. Agradecemos Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang e Shankar Radhakrishnan para discussões úteis.

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

  1. Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. Methods for counting particles in microfluidic applications. Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Davaji, B., Lee, C. H. A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing. Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).
  5. Liu, J., et al. Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist. Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).
  6. Dusen, M. S. V. Platinum-resistance thermometry at low temperatures. J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).
  7. Arpaci, V. S. . Conduction Heat Transfer. , (1966).
  8. 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).
  9. Kilo, C., et al. Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration. Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).
  10. Scheper, T. . Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology). , (1999).

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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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