Summary

Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

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

Drei verschiedene Mikromaßstab thermische Messverfahren werden in diesem Artikel vorgestellt. Die drei verschiedenen Konfigurationen von mikrofluidischen Vorrichtungen zur thermischen Partikeldetektion (TPD), thermische Charakterisierung (Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme) und metrischen Detektion von chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen verwendet.

Thermal Partikeldetektion

Erfassen und Zählen von Teilchen in Mikrofluidvorrichtungen ist für Umwelt-, Industrie- und biologische Anwendungen 1 verwendet. TPD ist eines der neuartigen Anwendungen von thermischen Messungen in mikrofluidischen Vorrichtungen 2. Verwendung von Wärmeübertragung zum Erfassen und Zählen von Teilchen, bezogen auf die Partikelgröße reduziert die Komplexität, die Kosten und die Größe des Systems. In anderen Verfahren komplexe Optik oder komplexe elektrische Messungen und Signalverarbeitungs-Software zum Detektieren von Teilchen verwendet.

Thermal Characterization flüssiger Substanzen Verwenden von Mikro-Kalorimeter

Flüssigkeitsprobe thermische Charakterisierung ist die zweite Anwendung von Wärmemessung in Mikrofluidvorrichtungen. Darstellende Mikromaßstab Kalorimetrie wird die Probenverbrauch zu reduzieren und die Genauigkeit, indem sie höhere Reproduzierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen, Groß Kalorimetrie Methoden. Die Verfahren für die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme Messung unter Verwendung des On-Chip-Mikro-Kalorimeter Vorrichtung werden an anderer Stelle 3 dargestellt. Die Einzelheiten des Wärme Eindringzeit Technik zur Wärmeleitfähigkeitsmessung und der Thermowellenanalyse (TWA) für Messungen der spezifischen Wärme in mikrofluidischen Vorrichtungen sind in dem Protokoll beschrieben.

Kalorimetrische Bio-chemischen Nachweis in Papierbasierte Mikrofluidik-Vorrichtung

Eine weitere Anwendung der thermischen Messung biochemischen Nachweis in papierbasierten Mikrofluidik. Die Kapillarwirkung in dieporöse Struktur von Papier trägt die Flüssigkeit und verhindert Blasen Einleitung Probleme in Mikrokanälen. Die häufigsten Erkennungsmechanismen in papierbasierten Mikrofluidik-Vorrichtungen sind optische oder elektrochemische Verfahren. Optische Detektions leidet hohe Komplexität und die Notwendigkeit der fortgeschrittenen Bildbearbeitungssoftware, um den erfassten Signal quantisieren. Elektro Detektionen ebenfalls begrenzt, weil sie nur auf Reaktionen, die aktiven Begleitprodukte angewendet werden. Die kürzlich eingeführten kalorimetrische papierbasierten biochemischen Sensorplattform 4 nutzt die Vorteile der papierbasierten Mikrofluidik-Systems und der markierungsfreien thermischen Detektionsmechanismus. Die Verfahren von kalorimetrischen Nachweis von Glucose unter Verwendung von Glucoseoxidase (GOD) Enzym in einem Papier-basierten mikrofluidischen Plattform werden im Protokollabschnitt dargestellt.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeiten der Wärmemesstechniken in mikrofluidischen Vorrichtungen zu zeigen. Das Gerät VORBEREITUn, flüssigen Probe Handhabung und Widerstandstemperaturfühler (RTD) Sensorversorgung und Messung sind in den folgenden Abschnitten vorgestellt.

Protocol

1. Thermische Particle Detection (TPD) Bereiten Sie die Mikro-Silizium hergestellt Gerät mit einem Dünnschicht-Silizium-Nitrid-Membran und integriertem Temperatursensor durch Mikrobearbeitung unter Verwendung von Standard-Halbleiterverarbeitungstechnologie 2. Spülen Sie das Gerät hergestellt mit deionisiertem (DI) Wasser. Hinweis: Das Herstellungsverfahren für die thermische Teilchendetektor Mikrofluidikvorrichtung in Vorveröffentlichung 2 erläutert. Um Polydimeth…

Representative Results

Abbildung 3 zeigt die graphische Darstellung der gemessenen thermischen Signals. Die erzeugten Signale in Gegenwart der Perlen mit entsprechenden optischen Bilder zeigen die erfolgreiche Erfassung der Mikrokugel PS Kügelchen in den Mikrokanal. Die thermische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, die durch den Mikro-Kanal verändert, um das Vorhandensein von PS Perlen zurückzuführen. Diese Änderung in der thermischen Leitfähigkeit des Kanals wird die Wärmeübertragung in den Mikrokanal zu beeinflussen. …

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

Partielle finanzielle Unterstützung für diese Arbeit wurde von der US National Science Foundation durch die Industrie / Universität Cooperative Research Center on Water Equipment & Politik an der University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0968887) und Marquette University (IIP-0.968.844) angeordnet ist. Wir danken Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang und Shankar Radhakrishnan für hilfreiche Diskussionen.

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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