Termiska mätteknik i Analytisk mikroflödessystem enheter

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 olika mikroskala termiska mätmetoder presenteras i den här artikeln. De tre olika konfigurationer av mikrofluidikanordningar används för partikeldetektering termisk (TPD), termisk karakterisering (värmeledningsförmåga och specifikt värme), och kalorimetriska upptäcka kemiska reaktioner och interaktioner.

Termisk Partikel Detektion

Upptäcka och räkna partiklar i mikrofluidikanordningar används allmänt för miljön, industriella och biologiska tillämpningar ^1. TPD är en av de nya tillämpningar av termiska mätningar i mikrofluidikanordningar ^2. Använda värmeöverföring för detektering och räkning av partiklar baserade på partikelstorleken reducerar komplexiteten, kostnaden och storleken på systemet. I andra metoder, komplexa optik eller komplexa elektriska mätningar och avancerad signalbehandling programvara används för att detektera partiklar.

Termisk Characterization av flytande ämnen med hjälp av mikro-Calorimeter

Vätskeprov termisk karakterisering är den andra appliceringen av termisk mätning i mikrofluidikanordningar. Utföra mikroskala kalorimetri kommer att minska provförbrukningen och öka precisionen genom att erbjuda högre repeterbarhet jämfört med konventionella, bulk kalorimetriska metoder. Procedurerna för värmeledningsförmåga och specifik värmemätning med hjälp av on-chip mikrokalori enhet presenteras på annat håll ^3. Detaljerna i det värmepenetrationstiden teknik för termisk konduktivitetsmätning och den termiska vågen analys (TWA) för specifika värmemätningar i mikrofluidikanordningar beskrivs i protokollenheten.

Kalorimetrisk Bio-kemiska upptäckt i pappersbaserade mikroflödessystem enhet

En annan tillämpning av värmemätning är biokemisk detektion i pappersbaserade mikrofluidik. Den kapillärverkan iporös struktur av papper bär vätskan och undviker bubbla initiering problem i mikrokanaler. De vanligaste mekanismerna upptäckt i pappersbaserade mikrofluidikanordningar är optiska eller elektrokemiska metoder. Optiska detekterings lider hög komplexitet och behovet av avancerad bildbehandlingsprogram för att kvantisera den detekterade signalen. Elektrokemiska upptäckter är också begränsad eftersom de bara kan tillämpas på reaktioner som producerar aktiva biprodukter. Den nyligen introducerade kalorimetrisk pappersbaserade biokemiska sensorplattform ⁴ drar fördel av det pappersbaserade mikroflödessystem och värmemekanismen detekteringsetikett fritt. Förfarandena i kalorimetrisk detektion av glukos med användning av glukosoxidas (GOD) enzym i ett pappersbaserat mikroflödes plattform presenteras i protokollenheten.

Målet med detta dokument är att visa möjligheterna med värme mättekniker i mikrofluidikanordningar. Anordningen FÖRBEREDELSEn, är vätskeprov detektor hantering och temperaturbeständighet (RTD) sensor excitation och mätning som presenteras i nästa avsnitt.

Protocol

1. Termisk Partikel Detection (TPD) Förbered mikrotillverkade kisel enhet med en tunn film av kiselnitrid membran och integrerad temperatursensor med mikro, användning av standardhalvledarprocessteknik 2. Skölj fabricerade enheten med avjoniserat (DI) vatten. Obs: tillverkningsmetod för detektorn termisk partikel mikrofluidikanordning förklaras i föregående offentliggörande 2. För att producera polydimetylsiloxan (PDMS) substrat med mikrokanaler, skapa en SU8 m?…

Representative Results

Figur 3 visar diagram över den uppmätta värmesignalen. De alstrade signalerna i närvaro av pärlorna med motsvarande optiska bilder visar framgångsrik detektering av de mikrosfär PS pärlorna i mikrokanalen. Den termiska ledningsförmågan hos den vätska som passerar genom mikrokanalen förändras på grund av närvaron av PS-pärlor. Denna förändring i värmeledningsförmågan hos kanalen påverkar värmeöverföringen i mikro-kanalen. Förändringen i värmeöverförings i mikro-kanalen detek…

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…

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