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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+counting+particles+in+microfluidic+applications.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+device+for+thermal+particle+detection.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Novel+On-chip+Three-dimensional+Micromachined+Calorimeter+with+Fully+Enclosed+and+Suspended+Thin-film+Chamber+for+Thermal+Characterization+of+Liquid+Samples.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+paper-based+calorimetric+microfluidics+platform+for+bio-chemical+sensing.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+research+of+high+aspect+ratio+microstructure+using+SU-8+resist.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Platinum-resistance+thermometry+at+low+temperatures.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Conduction Heat Transfer. , (1966).</li><li>Garden, J. L., Chteau, E., Chaussy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+sensitive+ac+nanocalorimeter+for+microliter-scale+liquids+or+biological+samples.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+a+New+Blood+Glucose+Monitoring+System+with+Auto-Calibration.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Thermal Biosensors Bioactivity Bioaffinity (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology). , (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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS)&#160;</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td>Sylgard 184</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PS beads - 90 um&#160;</td>
			<td>Corpuscular</td>
			<td>100265</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PS beads - 200 um&#160;</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&#160;</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

JoVE Journal

Engineering

9.5K Aufrufe.  Marquette University. Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices. 

Serie: Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including conductive, semi-conductive or nonconductive one-dimensional structures. This technique broadens the measurement scope of materials (conductive and nonconductive) and improves the accuracy and stability. If the sample (especially biomaterials, such as human head hair, spider silk, and silkworm silk) is not conductive, it will be coated with a gold layer to make it electronically conductive. The effect of parasitic conduction and radiative losses on the thermal diffusivity can be subtracted during data processing. Then the real thermal conductivity can be calculated with the given value of volume-based specific heat (&#961;cp), which can be obtained from calibration, noncontact photo-thermal technique or measuring the density and specific heat separately. In this work, human head hair samples are used to show how to set up the experiment, process the experimental data, and subtract the effect of parasitic conduction and radiative losses.

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials.

Thermische Charakterisierung von Transport-in-One-dimensional Solide Materialien

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Forschung

Ingenieurwesen

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each thermoplastic of interest. Solvent bonding is a simple and versatile method that can be used to fabricate devices from a variety of plastics. An appropriate solvent is added between two device layers to be bonded, and heat and pressure are applied to the device to facilitate the bonding. By using an appropriate combination of solvent, plastic, heat, and pressure, the device can be sealed with a high quality bond, characterized as having high bond coverage, bond strength, optical clarity, durability over time, and low deformation or damage to microfeature geometry. We describe the procedure for bonding devices made from two popular thermoplastics, poly(methyl-methacrylate) (PMMA), and cyclo-olefin polymer (COP), as well as a variety of methods to characterize the quality of the resulting bonds, and strategies to troubleshoot low quality bonds. These methods can be used to develop new solvent bonding protocols for other plastic-solvent systems.

Solvent bonding is a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. We describe a protocol to achieve strong, optically clear bonds in PMMA and COP microfluidic devices that preserve microfeature details, by a judicious combination of pressure, temperature, an appropriate solvent, and device geometry.

Lösungsmittelbindung für die Herstellung von PMMA und COP Mikrofluidiksysteme

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. The developed technique can be performed in two ways: using the reconstructed multiplication moir&#233; method or the spatial phase-shifting sampling moir&#233; method. When the specimen grid pitch is around 2 pixels, 2-pixel sampling moir&#233; fringes are generated to reconstruct a multiplication moir&#233; pattern for a deformation measurement. Both the displacement and strain sensitivities are twice as high as in the traditional scanning moir&#233; method in the same wide field of view. When the specimen grid pitch is around or greater than 3 pixels, multi-pixel sampling moir&#233; fringes are generated, and a spatial phase-shifting technique is combined for a full-field deformation measurement. The strain measurement accuracy is significantly improved, and automatic batch measurement is easily achievable. Both methods can measure the two-dimensional (2D) strain distributions from a single-shot grid image without rotating the specimen or scanning lines, as in traditional moir&#233; techniques. As examples, the 2D displacement and strain distributions, including the shear strains of two carbon fiber-reinforced plastic specimens, were measured in three-point bending tests. The proposed technique is expected to play an important role in the non-destructive quantitative evaluations of mechanical properties, crack occurrences, and residual stresses of a variety of materials.

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&amp;#233; Fringes

A sampling moir&#233; technique featuring 2-pixel and multi-pixel sampling methods for high-accuracy strain distribution measurements at the micro/nano-scale is presented here.

Mikro- / Nanometer-Dehnungsverteilungsmessung von Sampling Moiré Fringes

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. This paper proposes a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation. The polydimethylsiloxane (PDMS) chip was fabricated using the multi-layer soft lithography method. Hexadecane containing surfactant was used as the continuous phase, and PEGDA with the ultraviolet (UV) photo-initiator was the dispersed phase. Surfactants allowed the local surface tension to drop and formed a more cusped tip which promoted breaking into tiny micro-droplets. As the pressure of dispersed phase was constant, the size of droplets became smaller with increasing continuous phase pressure before dispersed phase flow was broken off. As a result, droplets with size variation from 1 &#181;m to 80 &#181;m in diameter could be selectively achieved by changing the pressure ratio in two inlet channels, and the average coefficient of variation was estimated to be below 7%. Furthermore, droplets could turn into micro-beads by UV exposure for photo-polymerization. Conjugating biomolecules on such micro-beads surface have many potential applications in the fields of biology and chemistry.

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Here, we present a protocol to illustrate the fabrication processes and verifying experiments of a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation.

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

Methodenentwicklung für kontaktlose Resonanzhöhlen dielektrische spektroskopische Studien von Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. Currently, the surface temperature of objects processed in conveyor belt furnaces is typically measured via thermocouples. However, infrared (IR) thermography presents multiple advantages compared to thermocouple measurements, as it is a contactless, real-time, and spatially resolved method. Here, as a representative proof-of-concept example, an inline thermography system is successfully installed into an IR lamp powered solar firing furnace, which is used for the contact firing process of industrial Si solar cells. This protocol describes how to install an IR camera into a conveyor belt furnace, conduct a customer correction of a factory calibrated IR camera, and perform the evaluation of spatial surface temperature distribution on a target object.

This protocol describes how to install an infrared camera into a conveyor belt furnace, conduct a customer correction of a factory calibrated IR camera, and evaluate the spatial surface temperature distribution of an object of interest. The example objects are industrial silicon solar cells.

In Situ Oberflächentemperaturmessung in einem Förderbandofen über Inline-Infrarot-Thermographie

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a result, these platforms have not been fully exploited for direct observation of high-pressure transport in fractures. This work introduces microfluidic platforms that enable direct observation of multiphase flow in devices featuring surrogate permeable media and fractured systems. Such platforms provide a pathway to address important and timely questions such as those related to CO2 capture, utilization and storage. This work provides a detailed description of the fabrication techniques and an experimental setup that may serve to analyze the behavior of supercritical CO2 (scCO2) foam, its structure and stability. Such studies provide important insights regarding enhanced oil recovery processes and the role of hydraulic fractures in resource recovery from unconventional reservoirs. This work presents a comparative study of microfluidic devices developed using two different techniques: photolithography/wet-etching/thermal-bonding versus Selective Laser-induced Etching. Both techniques result in devices that are chemically and physically resistant and tolerant of high pressure and temperature conditions that correspond to subsurface systems of interest. Both techniques provide pathways to high-precision etched microchannels and capable lab-on-chip devices. Photolithography/wet-etching, however, enables fabrication of complex channel networks with complex geometries, which would be a challenging task for laser etching techniques. This work summarizes a step-by-step photolithography, wet-etching and glass thermal-bonding protocol and, presents representative observations of foam transport with relevance to oil recovery from unconventional tight and shale formations. Finally, this work describes the use of a high-resolution monochromatic sensor to observe scCO2 foam behavior where the entirety of the permeable medium is observed simultaneously while preserving the resolution needed to resolve features as small as 10 &#181;m.

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

This paper describes a protocol along with a comparative study of two microfluidic fabrication techniques, namely photolithography/wet-etching/thermal-bonding and Selective Laser-induced Etching (SLE), that are suitable for high-pressure conditions. These techniques constitute enabling platforms for direct observation of fluid flow in surrogate permeable media and fractured systems under reservoir conditions.

Mikrofluidische Fertigungstechniken zur Hochdruckprüfung von mikroskaligen superkritischenCO2-Schaumtransporten in gebrochenen unkonventionellen Reservoirs

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a ...