Partielle finanzielle Unterstützung für diese Arbeit wurde von der US National Science Foundation durch die Industrie / Universität Cooperative Research Center on Water Equipment &amp; 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.

1. Thermische Particle Detection (TPD) <ol><li> 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. </li><li> Um Polydimethylsiloxan (PDMS) Substraten mit Mikrokanäle zu erzeugen, erstellen Sie eine SU8 Form mit Standard-Lithographieverfahren 5. Hinweis: Die Kanalgröße wird für jede spezifische Dimension Teilchens konzipiert. <ol><li> Machen PDMS durch Mischen eines 10: Verhältnis von Base (30 ml) 1 und Härter (3 ml). Gießen Sie die PDMS auf die Form und entfernen Sie die Luftblasen durch kurzzeitiges Aussetzen gegenüber einem Vakuum (5-10 min). Hinweis: Das Vakuumniveau ist kein kritischer Wert zum Entgasen und es sollte, bis die Gas bubb weiterhinles sind total aus gemischten PDMS entfernt. </li><li> Legen Sie die Form auf einer Heizplatte (~ 70 ° C) für 2 Stunden, um die PDMS zu heilen. Dann ziehen Sie die PDMS sehr vorsichtig, um nicht um die Form zu beschädigen. Hinweis: Das Vakuumniveau ist kein kritischer Wert. </li></ol></li><li> Mit einem manuellen Punsch, Punsch ein enges Loch (1 mm) für die PTFE-Schlauch an einem Ende. Verwenden Sie eine große Stempel (2 mm) auf der anderen Seite, um die PDMS ein Reservoir zu machen. Setzen Sie den Lochmikrokanal auf der Oberseite des Gerätes unter dem Mikroskop und richten Sie die FTE in der Mitte des Mikrokanals (Abbildung 1A). </li><li> In die elektrische Schnittstelle, die elektrischen Stifte verbinden an dem Kontaktfeld Positionen und straffen Sie die Spannschrauben. Sicherzustellen, dass die höhenverstellbare Pins (Pogo-Pins) an den richtigen Elektrodenanschlussflächen auf der Vorrichtung sitzen. </li><li> Verdünne 10 &amp; mgr; l der konzentrierten PS Kügelchen in 100 &amp; mgr; l DI-Wasser in einem 1,5-ml-Röhrchen. </li><li> Um den PS-Perlen bleiben neutral tariert zu gewährleisten, fügen Sie 2,7 ul Glycerin (1,26g / cm 3), um DI-Wasser, um die Fluiddichte zu der Polystyrol (PS) Wulst Dichte (entsprechen 1,05 g / cm 3). </li><li> Verbinden die PTFE-Röhre auf dem Kanal an einem Ende und dem anderen Ende an eine 1 ml Glasspritze. Füllen Sie den Glasspritze mit 0,5 ml DI-Wasser. Hinweis: Eng anliegende, indem Sie den richtigen Punch Größe Leckage in Rohre zu vermeiden. </li><li> Platzieren das DI-Wasser Spritze auf der computergesteuerten Spritzenpumpe. Schieben Sie das Wasser (5-20 &amp; mgr; l / min) in den Kanal, den gesamten Kanal mit Flüssigkeit füllen den ganzen Weg in den Vorratsbehälter. </li><li> Last 10 ul ausgewogene Bead-Lösung in das Reservoir und die Einführung der Bead-Lösung mit dem Mikrokanal durch Änderung der Strömungsrichtung am Spritzenpumpe. </li><li> Schalten Sie die RTD durch Vorspannen 1 mA Gleichstrom durch den Computer gesteuerte Quelle / Meter, während die Messung der Beständigkeit von Source / Meter und zum Sortieren der Messdaten (Abbildung 2). Anmerkung: Während des Versuchs ist der Sensor vorgespannt ist; daher wird die Temperatur kontinuierlich bis zum Ende des Zählens Experiment gemessen. Der RTD-Sensor ist elektrisch durch Anlegen einer Gleichstrom im Bereich von 100 uA bis 1 mA, um die Temperatur bis zum Ende der Zählung Experiment messen kontinuierlich vorgespannt ist. Es ist entscheidend, die richtige Strompegel zu wählen, da es einen Kompromiß zwischen der Rauschpegel und der erfassten Signalamplitude. Die Spritzenpumpe wird verwendet, um die Strömung in Mikrokanal zu erzeugen. Auswählen eines geeigneten Strömungsgeschwindigkeit, um die TPD-Experiment durchzuführen, ist begrenzt auf die Geschwindigkeit der Messung. Diese Geschwindigkeit ist eine Funktion der thermischen Zeitkonstante der Vorrichtung und elektrische Messgeschwindigkeit. Die Ergebnisse der thermischen Teilchendetektion Experiments sind in Abbildung 3 dargestellt. </li><li> Verwenden Sie die entwickelten Datenverarbeitungssoftware (LabVIEW), um die gemessenen Daten zu Temperaturbeständigkeit konvertieren mit der Callendar-Van Dusen-Gleichung 6. </li></ol> 2. ThermischeCharakterisierung von flüssigen Stoffen mit einem Mikro-Kalorimeter <ol><li> Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe der einge Chip Kalorimeter Vorrichtung (4A) 3, um die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärme der Proben zu messen. Hinweis: Auf jeder sterben, gibt es 2 Mikro-Kalorimeter Kammern (4B). Jede Kammer 2 Eingängen und einem Ausgang. Und jede Kammer eine Heizung und einen RTD-Sensor integriert. </li><li> Legen Sie die Mikro-Kalorimeter Gerät auf der Gerätehalterung (4C). Richten Sie das Gerät auf die Mikrofluid-Ein- und Ausgänge mit den Halter Armaturen. Legen Sie die PDMS Siegelschicht auf der Oberseite des Gerätes. </li><li> Elektrische Verbindungsstifte Installation auf der Gerätehalterung und verriegeln Sie die Halterung schrauben. Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die höhenverstellbare Pogo Pins werden mit den elektrischen Kontaktstellen ausgerichtet sind. </li><li> Installieren Sie die mikrofluidische Trennschicht mit magnetischen Verriegelungen an der Gerätehalterung (4D). Schließen Sie den PTFE Rohren zu beiden Einlässen und dem Auslass. Verbinden einen Einlass zu der Probe belasteten Spritzenpumpe und Schließen des anderen, wenn die Enthalpie ist in diesem Fall nicht gemessen. </li><li> Verwenden eine entwickelte computergesteuerten Programms, um die Probe in den Mikrokanal und Kammern zu laden. Hinweis: Das Programm wird nicht fortFluss verwenden, um übermäßigen Druck auf die Dünnschicht suspendiert Kammer freizugeben. <ol><li> Laden Sie die 300 ul Probe in die Glasspritze und auf der Spritzenpumpe. Verwenden Sie sehr langsam (0,25 &amp; mgr; l / min) konstante Durchflussmengen für hochviskose Proben (zB Glycerin und ionische Flüssigkeiten). Verwenden Sie ein Glycerin Probe für thermische Diffusionsmessungen und ionischen Flüssigkeiten für die Messungen der spezifischen Wärme. </li></ol></li><li> Messungen <ol><li> Temperaturleitfähigkeit Messungen <ol><li> Schließen Sie das Setup-Messungen, wie in 5A gezeigt. Laden Sie das Glycerin Probe mit dem Mikro Kalorimeter Kammer. Führen Sie das modifizierte computergesteuerten Programm zur hea<html> t Eindringen Zeitmessung. </li><li> Verwenden Sie die kalibrierten Wärmedurch Gleichung Temperaturleitfähigkeit von der gemessenen Wärmedurchbruchzeit 7 berechnen: <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> wobei α die thermische Diffusivität ist, L Dicke der Kammer ist, p die Dicke Kalibrierfaktors durch Fertigungsprozessvariation und t 0 ist der Wärmedurchbruchzeit. </li></ol></li><li> Messungen der spezifischen Wärme <ol><li> Verwenden Sie den TWA Messaufbau wie in 5B gezeigt. Verwenden Sie die gleiche Probenladeprogramm und laden Sie die ionische Flüssigkeit in der Kammer. Führen Sie das Programm TWA, um die Amplitude der AC Temperaturschwankungen (∂ T AC) und benutzen Sie spezifische Wärmeleitungsgleichung für die Berechnung der spezifischen, c p, Wärme für jede ionische Flüssigkeit Probe 8: 28eq2.jpg &quot;width =&quot; 117 &quot;/&gt; wobei C 0 eingegeben Leistungskalibrierungsfaktor P in ist Eingangsleistung ist ω Frequenz des Ansteuersignals ist, und m die Masse der flüssigen Probe. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Kalorimetrische biochemischen Nachweis in Papier-basierte Mikrofluidikvorrichtung <ol><li> Verwenden mikro Dünnschicht (40-50 nm Nickel) RTD-Sensor. Herstellungsschritte für den RTD-Sensor werden in früheren Werken 4 erläutert. </li><li> Für papierbasierte Kanalherstellungs 4, mit einem Messer, um den Plotter Papier schneiden mikrofluidischen Kanälen mit einem entworfenen Muster (L-Form). Legen Sie das Papier an der Spitze der Schneidmatte, legen Sie das Papier und die Schneidmatte zum Messer Plotter, und verwenden Sie die entsprechende Rezept, um die Mikrofluidkanäle 4 Papier geschnitten. </li><li> Für Gerät und Channel-Integration, verwenden Sie eine Acrylkleberschicht (5 &amp; mgr; m), um das Papier auf der RTD-Sensor zu integrieren. Verwenden Sie ein sauberes blade, um das Papier in das Gerät schieben, und entfernen Sie Luftblasen (6A). Die Acrylfolie eine Klebeschicht, um das Papier über RTD-Sensor zu halten. </li><li> Für Enzymaktivierung, verwenden Sie 50 mM Natriumacetat-Puffer, um die GOD-Enzym zu aktivieren. 1 mg des Enzyms GOD zu 1 ml Natriumacetatpuffer, die 1 mg / ml Lösung herzustellen. Den pH-Wert der Lösung auf 5.1. Hinweis: Passen Sie die Menge an Essigsäure in der Natriumacetat-Puffer, um den pH-Wert der Lösung 5,1 zu halten. </li><li> Bias der FTE mit 1 mA Gleichstrom, um den RTD aktivieren und starten Sie die Messung der Widerstandsquelle / meter kontinuierlich während der Widerstand richtet sich nach dem Experiment (ca. 4 min). Hinweis: 6B zeigt den Messaufbau für die papierbasierte metrischen Tests. </li><li> Führen Sie die 2 ul der hergestellten GOD-Lösung in die Mitte des Papiers Mikrokanal (Immobilisierung Website) über eine Pipette. Die erfasste Temperatur (7A) beginnen muss to zu verringern. Hinweis: Durch die höhere Betriebstemperatur der RTD und Verdampfen der Probe zusammen Dieser Kühleffekt ist. </li><li> Um die Glucosekonzentration zu messen, stellen Standardglukosekontrolllösung 9 mit dem Kanaleingang und messen die Widerstandsänderung durch die Reaktion verursacht. Wiederholen Sie diesen Versuch mit allen verschiedenen Glukosekontrolllösungen (hohe, normale und niedrige Konzentrationen) und speichern Sie die Widerstandsdaten. </li><li> Verwendung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) für Nickel RTD und Callendar-Van Dusen, wandeln die Widerstandsänderung mit der Temperatur. Berechnen Sie die Konzentration der Glucose in jeder Probe unter Berücksichtigung der Reaktionsenthalpie von Glukose und die GOD-Enzym (Δ H = -80 kJ / mol) und unter Verwendung der Konzentration Gleichung 10: <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> wobei n p ist molaren Konzentration, C erkannt <sub&gt; P die Wärmekapazität des Systems und &amp; Delta; T wird berechnet Temperatur. </li></ol>

<ol><li>Zhang, H., Chon, C., Pan, X., Li, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+counting+particles+in+microfluidic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Methods for counting particles in microfluidic applications.</a> Microfluid Nanofluid. 7 (6), 739-749 (2009).</li>
<li>Vutha, A. K., Davaji, B., Lee, C. H., Walker, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microfluidic+device+for+thermal+particle+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">A microfluidic device for thermal particle detection.</a> Microfluid Nanofluid. 17 (5), 871-878 (2014).</li>
<li>Davaji, B., Bak, H. J., Chang, W. J., Lee, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Novel+On-chip+Three-dimensional+Micromachined+Calorimeter+with+Fully+Enclosed+and+Suspended+Thin-film+Chamber+for+Thermal+Characterization+of+Liquid+Samples%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">A Novel On-chip Three-dimensional Micromachined Calorimeter with Fully Enclosed and Suspended Thin-film Chamber for Thermal Characterization of Liquid Samples.</a> Biomicrofluidics. 8 (3), 034101-034113 (2014).</li>
<li>Davaji, B., Lee, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+paper-based+calorimetric+microfluidics+platform+for+bio-chemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">A paper-based calorimetric microfluidics platform for bio-chemical sensing.</a> Biosens. Bioelectron. 59, 120-126 (2014).</li>
<li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+research+of+high+aspect+ratio+microstructure+using+SU-8+resist%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">Process research of high aspect ratio microstructure using SU-8 resist.</a> Microsystem Technologies. 10, 265-268 (2004).</li>
<li>Dusen, M. S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Platinum-resistance+thermometry+at+low+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Platinum-resistance thermometry at low temperatures.</a> J. Am. Chem. Soc. 47 (2), 326-332 (1925).</li>
<li>Arpaci, V. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aArpaci%2C+VS+%22Conduction+Heat+Transfer%22">Conduction Heat Transfer</a>. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, MA. (1966).</li>
<li>Garden, J. L., Chteau, E., Chaussy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive+ac+nanocalorimeter+for+microliter-scale+liquids+or+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 3597-3599 (2004).</li>
<li>Kilo, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+a+New+Blood+Glucose+Monitoring+System+with+Auto-Calibration%5BTitle%5D)+AND+%22Diabetes+Technol.+Ther%22%5BJournal%5D)">Evaluation of a New Blood Glucose Monitoring System with Auto-Calibration.</a> Diabetes Technol. Ther. 7 (2), 283-294 (2005).</li>
<li>Scheper, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aScheper%2C+T+%22Thermal+Biosensors+Bioactivity+Bioaffinity+%28Advances+in+Biochemical+Engineering%2FBiotechnology%29%22">Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology)</a>. , Springer-Verlag. (1999).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)&amp;nbsp;</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>PS beads - 90 &amp;#956;m</td><td>Corpuscular</td><td>100265</td><td></td></tr><tr><td>PS beads - 200 &amp;#956;m</td><td>Corpuscular</td><td>100271</td><td></td></tr><tr><td>Glycerol</td><td>SigmaAldrich</td><td>G5516</td><td></td></tr><tr><td>GOD enzyme</td><td>SigmaAldrich</td><td>G7141</td><td></td></tr><tr><td>Glucose Control Solution - Low</td><td>Bayer contour</td><td>Low Control</td><td></td></tr><tr><td>Glucose Control Solution - Normal</td><td>Bayer contour</td><td>Normal Control</td><td></td></tr><tr><td>Glucose Control Solution - High</td><td>Bayer contour</td><td>High Control</td><td></td></tr><tr><td>Chromatography filter paper</td><td>Whatman</td><td>3001-845</td><td></td></tr><tr><td>Glass</td><td>VWR&amp;nbsp;</td><td>48393-106</td><td></td></tr><tr><td>Acrylic Film</td><td>Nitto Denko</td><td>5600</td><td></td></tr><tr><td>Glass syringe (1 ml)</td><td>Hamilton</td><td>1001</td><td></td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>New Era</td><td>NE-500</td><td></td></tr><tr><td>knife plotter</td><td>Silhouette</td><td>portrait</td><td></td></tr><tr><td>Current Preamplifier</td><td>Stanford Research</td><td>SR-570</td><td></td></tr><tr><td>Ocilloscope</td><td>Agilent</td><td>DSO 2420A</td><td></td></tr><tr><td>Signal Generator</td><td>HP</td><td>HP3324A</td><td></td></tr><tr><td>Lock-in Amplifire</td><td>Stanford Research</td><td>SRS-830</td><td></td></tr><tr><td>Source/meter 2400</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Source/meter 2600</td><td>Keithley</td><td>2436A</td><td></td></tr></tbody></table>

thermal measurement techniques in analytical microfluidic devices

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.

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. ...

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Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices.

Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

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Research

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Engineering

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Serie: Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic samples with a wide range of possible sensor designs such as interferometers and resonators 1,2. Most of the existing RI sensing applications focus on biological materials in aqueous solutions in visible and IR frequencies, such as DNA hybridization and genome sequencing. At terahertz frequencies, applications include quality control, monitoring of industrial processes and sensing and detection applications involving nonpolar materials.
Several potential designs for refractive index sensors in the terahertz regime exist, including photonic crystal waveguides 3, asymmetric split-ring resonators 4, and photonic band gap structures integrated into parallel-plate waveguides 5. Many of these designs are based on optical resonators such as rings or cavities. The resonant frequencies of these structures are dependent on the refractive index of the material in or around the resonator. By monitoring the shifts in resonant frequency the refractive index of a sample can be accurately measured and this in turn can be used to identify a material, monitor contamination or dilution, etc.
The sensor design we use here is based on a simple parallel-plate waveguide 6,7. A rectangular groove machined into one face acts as a resonant cavity (Figures 1 and 2). When terahertz radiation is coupled into the waveguide and propagates in the lowest-order transverse-electric (TE1) mode, the result is a single strong resonant feature with a tunable resonant frequency that is dependent on the geometry of the groove 6,8. This groove can be filled with nonpolar liquid microfluidic samples which cause a shift in the observed resonant frequency that depends on the amount of liquid in the groove and its refractive index 9.
Our technique has an advantage over other terahertz techniques in its simplicity, both in fabrication and implementation, since the procedure can be accomplished with standard laboratory equipment without the need for a clean room or any special fabrication or experimental techniques. It can also be easily expanded to multichannel operation by the incorporation of multiple grooves 10. In this video we will describe our complete experimental procedure, from the design of the sensor to the data analysis and determination of the sample refractive index.

The procedure for implementing a refractive index sensor for terahertz frequencies based on a grooved parallel-plate waveguide geometry is described here. The method yields a measurement of the refractive index of a small volume of liquid through monitoring of the shift in the resonant frequency of the waveguide structure

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that accompany system miniaturisation. Advantages include the ability to efficiently process nano- to femoto- liter volumes of sample, facile integration of functional components, an intrinsic predisposition towards large-scale multiplexing, enhanced analytical throughput, improved control and reduced instrumental footprints.1
In recent years much interest has focussed on the development of droplet-based (or segmented flow) microfluidic systems and their potential as platforms in high-throughput experimentation.2-4 Here water-in-oil emulsions are made to spontaneously form in microfluidic channels as a result of capillary instabilities between the two immiscible phases. Importantly, microdroplets of precisely defined volumes and compositions can be generated at frequencies of several kHz. Furthermore, by encapsulating reagents of interest within isolated compartments separated by a continuous immiscible phase, both sample cross-talk and dispersion (diffusion- and Taylor-based) can be eliminated, which leads to minimal cross-contamination and the ability to time analytical processes with great accuracy. Additionally, since there is no contact between the contents of the droplets and the channel walls (which are wetted by the continuous phase) absorption and loss of reagents on the channel walls is prevented.
Once droplets of this kind have been generated and processed, it is necessary to extract the required analytical information. In this respect the detection method of choice should be rapid, provide high-sensitivity and low limits of detection, be applicable to a range of molecular species, be non-destructive and be able to be integrated with microfluidic devices in a facile manner. To address this need we have developed a suite of experimental tools and protocols that enable the extraction of large amounts of photophysical information from small-volume environments, and are applicable to the analysis of a wide range of physical, chemical and biological parameters. Herein two examples of these methods are presented and applied to the detection of single cells and the mapping of mixing processes inside picoliter-volume droplets. We report the entire experimental process including microfluidic chip fabrication, the optical setup and the process of droplet generation and detection.

Droplet-based microfluidic platforms are promising candidates for high throughput experimentation since they are able to generate picoliter, self-compartmentalized vessels inexpensively at kHz rates. Through integration with fast, sensitive and high resolution fluorescence spectroscopic methods, the large amounts of information generated within these systems can be efficiently extracted, harnessed and utilized.

Fluoreszenz-Nachweisverfahren für Mikrofluidik-Tropfen-Plattformen

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that ...

Biotechnik

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists chiefly of velocity and temperature readings, both ideally having high spatial and temporal resolution to facilitate rigorous code validation. While high resolution velocity data is readily obtained through optical measurement techniques such as particle image velocimetry, it has proven difficult to obtain temperature data with similar resolution. Traditional sensors such as thermocouples cannot fill this role, but the recent development of distributed sensing based on Rayleigh scattering and swept-wave interferometry offers resolution suitable for CFD code validation work. Thousands of temperature measurements can be generated along a single thin optical fiber at hundreds of Hertz. Sensors function over large temperature ranges and within opaque fluids where optical techniques are unsuitable. But this type of sensor is sensitive to strain and humidity as well as temperature and so accuracy is affected by handling, vibration, and shifts in relative humidity. Such behavior is quite unlike traditional sensors and so unconventional installation and operating procedures are necessary to ensure accurate measurements. This paper demonstrates implementation of a Rayleigh scattering-type distributed temperature sensor in a thermal mixing experiment involving two air jets at 25 and 45 &#176;C. We present criteria to guide selection of optical fiber for the sensor and describe installation setup for a jet mixing experiment. We illustrate sensor baselining, which links readings to an absolute temperature standard, and discuss practical issues such as errors due to flow-induced vibration. This material can aid those interested in temperature measurements having high data density and bandwidth for fluid dynamics experiments and similar applications. We highlight pitfalls specific to these sensors for consideration in experiment design and operation.

We demonstrate use of a fiber optic distributed sensor for mapping the temperature field of mixing air jets. The Rayleigh scattering-based sensor generates thousands of data points along a single fiber to provide exceptional spatial resolution that is unattainable with traditional sensors such as thermocouples.

Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging techniques.
The one-time use packaging technique employs UV-based and temperature curing epoxies to connect microtubes to access holes, wire-bonding for integrated circuit connections, and silver epoxy for electrical connections. This method is based on a robust assembly technique that can support relatively high pressure close to 1 psi and does not need any support to strengthen the microfluidic architecture.
Reusable packaging techniques consist of PDMS-based microtube interconnectors and anisotropic adhesive films for electrical connections. These devices are more sensitive and fragile. Consequently, Plexiglas support is added to the microfluidic structure to improve the electrical contact when anisotropic adhesive films are used, and also to strengthen the microfluidic architecture. In addition, a micromanipulator is needed to maintain tubes while using a thin PDMS layer to connect them to the access holes. Different PDMS layer thicknesses, ranging from 0.45-3 mm, are tested to compare the best adherence versus injection rates. Applied injection rates are varied from 50-300 &#956;l/hr for 0.45-3 mm PDMS layers, respectively. These techniques are mainly applicable for low-pressure applications. However, they can be extended for high-pressure ones through plasma-oxygen process to permanently seal the PDMS to glass substrates. The main advantage of this technique, besides the fact that it is reusable, consists of keeping the device observable when the microchannel length is very short (in the range of 3 mm or lower).

In this article we describe different techniques for microfluidic rapid prototyping platforms. The proposed techniques are based on ultraviolet (UV) sensitive and temperature curing epoxies, polydimethylsiloxane (PDMS) based tubing, wire-bonding, and anisotropic adhesive films. The assembling procedures presented are developed for both one-time use devices as well as reusable microfluidic systems.

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being leveraged for developing sophisticated photonic sensors. Silicon photonic sensors seek to exploit the strong confinement of light in nano-waveguides to transduce changes in physical state to changes in resonance frequency. In the case of thermometry, the thermo-optic coefficient, i.e., changes in refractive index due to temperature, causes the resonant frequency of the photonic device such as a Bragg grating to drift with temperature. We are developing a suite of photonic devices that leverage recent advances in telecom compatible light sources to fabricate cost-effective photonic temperature sensors, which can be deployed in a wide variety of settings ranging from controlled laboratory conditions, to the noisy environment of a factory floor or a residence. In this manuscript, we detail our protocol for the fabrication and testing of photonic thermometers.

We describe the process of fabrication and testing of photonic thermometers.

Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

Chemie

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This technique utilizes wavelengths of 1150 and 1412 nm, at which the absorption coefficient of water is dependent on temperature. Water or a non-turbid aqueous gel containing a 2.0-mm- or 0.5-mm-diameter magnetic sphere is irradiated with 1150 nm or 1412 nm incident light, as selected using a narrow bandpass filter; additionally, two-dimensional absorbance images, which are the transverse projections of the absorption coefficient, are acquired via a near-infrared camera. When the three-dimensional distributions of temperature can be assumed to be spherically symmetric, they are estimated by applying inverse Abel transforms to the absorbance profiles. The temperatures were observed to consistently change according to time and the induction heating power.

A technique utilizing wavelengths of 1150 and 1412 nm to measure the temperature of water surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented.

Nah-Infrarot-Temperatur-Messtechnik für Wasser umgibt eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analyse von Misch Inhomogenität in einer mikrofluidischen Vorrichtung von Microscale Schlieren Technik

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

A Microfluidic Device for Quantifying Bacterial Chemotaxis in Stable Concentration Gradients

Chemotaxis allows bacteria to approach sources of attractant chemicals or to avoid sources of repellent chemicals. Bacteria constantly monitor the concentration of specific chemoeffectors by comparing the current concentration to the concentration detected a few seconds earlier. This comparison determines the net direction of movement. Although multiple, competing gradients often coexist in nature, conventional approaches for investigating bacterial chemotaxis are suboptimal for quantifying migration in response to concentration gradients of attractants and repellents. Here, we describe the development of a microfluidic chemotaxis model for presenting precise and stable concentration gradients of chemoeffectors to bacteria and quantitatively investigating their response to the applied gradient. The device is versatile in that concentration gradients of any desired absolute concentration and gradient strength can be easily generated by diffusive mixing. The device is demonstrated using the response of Escherichia coli RP437 to gradients of amino acids and nickel ions.

This protocol describes the development of a microfluidic device for investigating bacterial chemotaxis in stable concentration gradients of chemoeffectors.

Einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Quantifizierung von bakteriellen Chemotaxis in Stable Konzentrationsgradienten

Chemotaxis allows bacteria to approach sources of attractant chemicals or to avoid sources of repellent chemicals. Bacteria constantly monitor the ...

Biologie

Soft Lithographic Procedure for Producing Plastic Microfluidic Devices with View-ports Transparent to Visible and Infrared Light

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable microfluidic devices. Here, a protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices is demonstrated, where soft lithographic techniques are used to embed transparent Calcium Fluoride (CaF2) view-ports in connection with observation chamber(s). The method is based on a replica casting approach, where a polydimethylsiloxane (PDMS) mold is produced through standard lithographic procedures and then used as the template to produce a plastic device. The plastic device features ultraviolet/visible/infrared (UV/Vis/IR) -transparent windows made of CaF2 to allow for direct observation with visible and IR light. The advantages of the proposed method include: a reduced need for accessing a clean room micro-fabrication facility, multiple view-ports, an easy and versatile connection to an external pumping system through the plastic body, flexibility of the design, e.g., open/closed channels configuration, and the possibility to add sophisticated features such as nanoporous membranes.

A protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices with transparent view-ports for visible and infrared light imaging is described.

Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable ...