Apoyo financiero parcial de este trabajo fue proporcionado por la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos a través del Centro de Investigación Cooperativa Industria / Universidad de Equipos y Política ubicado en la Universidad de Wisconsin-Milwaukee (PII-0968887) y la Universidad de Marquette (PII-0968844) de agua. Damos las gracias a Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang y Shankar Radhakrishnan útil para los debates.

1. Detección de partículas térmica (TPD) <ol><li> Prepare el dispositivo de silicio micro-fabricada con una membrana de nitruro de silicio de película delgada y el sensor de temperatura integrado por micromecanizado, utilizando la tecnología de proceso de semiconductores estándar 2. Enjuague el dispositivo fabricado con desionizada (DI). Nota: El método de fabricación para el detector de partículas térmica dispositivo de microfluidos se explica en la publicación antes 2. </li><li> Para producir polidimetilsiloxano (PDMS) sustratos con micro-canales, crear un molde de SU8 utilizando litografía estándar procesa 5. Nota: El tamaño del canal está diseñado para la dimensión de cada partícula específico. <ol><li> Hacer PDMS mezclando una proporción de 10: 1 de base (30 ml) y agente (3 ml) curar. Verter el PDMS en el molde y eliminar las burbujas exponiendo brevemente a un vacío (5-10 min). Nota: El nivel de vacío no es un valor fundamental para la desgasificación y debe continuar hasta bubb gasles son retirados totalmente de PDMS mixtos. </li><li> Colocar el molde sobre una placa caliente (~ 70 ° C) durante 2 horas para curar los PDMS. Luego pelar los PDMS con mucho cuidado a fin de no dañar el molde. Nota: El nivel de vacío no es un valor crítico. </li></ol></li><li> Con un punzón manual, perforar un agujero apretado (1 mm) para el tubo de PTFE en un extremo. Utilizar una gran punzón (2 mm) en el otro extremo para hacer los PDMS un depósito. Coloque el micro-canal perforado en la parte superior del dispositivo bajo el microscopio y alinear el RTD en el centro de la micro-canal (Figura 1A). </li><li> En la interfaz eléctrica, conecte las clavijas eléctricas en las posiciones de la almohadilla de contacto y apriete los tornillos de bloqueo. Asegúrese de que los pasadores de altura regulable (pines Pogo) se sientan en los electrodos correctos en el dispositivo. </li><li> Diluir 10 l de las perlas de PS concentradas en 100 l de agua DI en un tubo de 1,5 ml. </li><li> Para garantizar la PS cuentas permanecen flotabilidad neutra, añadir 2,7 l de glicerol (1,26g / cm 3) a agua DI para que coincida con la densidad del fluido para el poliestireno (PS) densidad talón (1,05 g / cm 3). </li><li> Conectar el tubo de PTFE al canal en un extremo y el otro extremo a una jeringa de vidrio de 1 ml. Llene la jeringa de vidrio con 0,5 ml de agua DI. Nota: Apretada hecho seleccionando el tamaño puño derecho evitará fugas en los tubos. </li><li> Coloque el agua DI llena la jeringa en la bomba de jeringa controlada por ordenador. Empuje el agua (5-20 l / min) en el canal para llenar todo el canal de líquido todo el camino hasta el depósito. </li><li> Cargar 10 l de solución de grano equilibrada al depósito e introducir la solución de talón a la micro-canal cambiando la dirección del flujo en la bomba de jeringa. </li><li> Encienda el RTD polarizando 1 mA de corriente continua a través de la fuente / metro controlado por ordenador, mientras que la medición de la resistencia de fuente / metro y clasificación de los datos medidos (Figura 2). Nota: Durante el experimento, el sensor es sesgada; Por lo tanto, la temperatura se mide continuamente hasta el final del experimento de recuento. El sensor RTD está sesgada eléctricamente mediante la aplicación de una corriente continua en el intervalo de 100 mu a 1 mA para medir continuamente la temperatura hasta el final del experimento de recuento. Es crítico para seleccionar el nivel de corriente adecuado ya que hay un equilibrio entre el nivel de ruido y de la amplitud de la señal detectada. La bomba de jeringa se utiliza para generar el flujo en micro-canal. Selección de un caudal adecuado para llevar a cabo el experimento TPD se limita a la velocidad de la medición. Esta velocidad es una función de la constante de tiempo térmica del dispositivo y la velocidad de medición eléctrica. Los resultados de la detección de partículas térmica experimento se muestran en la Figura 3. </li><li> Utilice el software de procesamiento de datos desarrollado (LabVIEW) para convertir los datos de resistencia medidos a temperatura usando la ecuación de Callendar-Van Dusen 6. </li></ol> 2. térmicaCaracterización de sustancias líquidas Utilizando un micro-calorímetro <ol><li> En este proceso, utilizar el dispositivo en el chip calorímetro (Figura 4A) 3 para medir la difusividad térmica y el calor específico de las muestras. Nota: En cada dado, hay 2 cámaras de micro-calorímetro (Figura 4B). Cada cámara tiene 2 entradas y una salida. Y cada cámara tiene un calentador y un sensor RTD integrado. </li><li> Coloque el dispositivo de micro-calorímetro en el soporte del dispositivo (Figura 4C). Alinear el dispositivo a las entradas y salidas de microfluidos con los accesorios de soporte. Coloque la capa de sellado PDMS en la parte superior del dispositivo. </li><li> Instale los pasadores de conexión eléctrica en el soporte de dispositivo y bloquear los tornillos titular. Nota: Asegúrese de que los pasadores de Pogo de altura ajustable están alineados con las almohadillas de contacto eléctrico. </li><li> Instale la capa de interfaz de microfluidos con cierres magnéticos a la titular del dispositivo (Figura 4D). Conecte el PTFE tubos para ambas entradas y la salida. Conectar una entrada a la bomba de jeringa de la muestra cargada y cerrar el otro, como la entalpía no se mide en este caso. </li><li> Utilice un programa controlado por ordenador desarrollado para cargar la muestra en el micro-canales y cámaras. Nota: El programa utilizará flujo discontinuada para liberar la presión excesiva en la cámara suspendida de película delgada. <ol><li> Cargue la muestra 300 l en la jeringa de vidrio y colocarlo en la bomba de jeringa. Utilice velocidades de flujo muy lento (0,25 l / min) constantes para muestras de alta viscosidad (por ejemplo, glicerol y líquidos iónicos). Utilice una muestra de glicerina para las mediciones de difusividad térmica y líquidos iónicos para mediciones de calor específico. </li></ol></li><li> Mediciones <ol><li> Mediciones de difusividad térmicas <ol><li> Conectar la configuración de las mediciones como se muestra en la Figura 5A. Cargue la muestra de glicerina a la cámara de micro-calorímetro. Ejecute el programa controlado por ordenador modificado para hea<html> t penetración de la medición del tiempo. </li><li> Utilice la ecuación de penetración del calor calibrado para calcular la difusividad térmica del tiempo de penetración de calor medido 7: <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> donde α es la difusividad térmica, L es el espesor de la cámara, p es el factor de calibración de espesor debido a la variación del proceso de fabricación, y t 0 es el tiempo de penetración de calor. </li></ol></li><li> Mediciones de calor específico <ol><li> Utilice la configuración de la medición TWA como se muestra en la Figura 5B. Utilice el mismo programa de ejemplo de carga y cargar el líquido iónico en la cámara. Ejecutar el programa de TWA para obtener la amplitud de las fluctuaciones de temperatura de corriente alterna (AC ∂ T) y el uso de la ecuación del calor específico para calcular el específico, c p, de calor para cada muestra de líquido iónico 8: 28eq2.jpg &quot;width =&quot; 117 &quot;/&gt; donde C 0 es el factor de calibración de la potencia de entrada, en P es la potencia de entrada, ω es la frecuencia de la señal de accionamiento, y m es la masa de la muestra de líquido. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. calorimétrico detección bioquímica en base de papel de dispositivos de microfluidos <ol><li> Utilice microfabricado película delgada (40-50 nm níquel) sensor RTD. Pasos de fabricación para el sensor RTD se explican en trabajos anteriores 4. </li><li> Para en papel canal fabricación 4, use un plotter cuchillo para cortar el papel canales de microfluidos con un patrón diseñado (en forma de L). Coloque el papel en la parte superior de la base de corte, cargue el papel y la estera de corte para el plotter de cuchillo, y el uso de la receta adecuada para cortar los canales de microfluidos en papel 4. </li><li> Para el dispositivo y el canal de integración, utilice una capa de adhesivo acrílico (5 micras) para integrar el papel sobre el sensor RTD. Use un b limpialade para empujar el papel para el dispositivo y eliminar las burbujas de aire (Figura 6A). La película acrílica es una capa adhesiva para sujetar el papel sobre el sensor RTD. </li><li> Para la activación de la enzima, utilice tampón de acetato de sodio 50 mM para activar la enzima GOD. Añadir 1 mg de la enzima GOD a 1 ml de tampón de acetato de sodio para hacer la solución 1 mg / ml. Ajustar el pH de la solución a 5,1. Nota: Ajuste la cantidad de ácido acético en el tampón de acetato de sodio para mantener el pH de la solución de 5,1. </li><li> Sesgo del RTD con 1 mA de corriente DC para activar el IDT y empezar a medir la fuente de resistencia / metro continuamente mientras que la resistencia se establece después del experimento (~ 4 min). Nota: La Figura 6B muestra la configuración de la medición para el ensayo colorimétrico basado en papel. </li><li> Introducir los 2 l de la solución DIOS preparado para el centro del papel de micro-canales (sitio inmovilización) a través de la pipeta. La temperatura detectada (Figura 7A) debe empezar to disminuir. Nota: Este efecto de enfriamiento es debido a la temperatura más alta de la operación de RTD y la evaporación de la muestra juntos. </li><li> Para medir la concentración de glucosa, introducir la solución de control estándar de glucosa 9 a la entrada del canal y medir el cambio de resistencia causado por la reacción. Repita este experimento con todas las soluciones de control de glucosa diferentes (alta, normal y baja concentración) y guardar los datos de resistencia. </li><li> Utilizando el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) para RTD de níquel y la ecuación Callendar-Van Dusen, convertir el cambio de resistencia a la temperatura. Calcular la concentración de la glucosa en cada muestra considerando la entalpía de reacción de la glucosa y la enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mol) y usando la ecuación de concentración 10: <img alt="Ecuación 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> donde se detecta n p concentración molar, C <sub&gt; P es la capacidad de calor del sistema y Delta T se calcula la temperatura. </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>

No hay conflictos de interés declarado.

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...

Tres técnicas de medición térmicos micro-escala diferente se presentan en este artículo. Las tres configuraciones diferentes de dispositivos de microfluidos se utilizan para la detección térmica de partículas (TPD), la caracterización térmica (conductividad térmica y calor específico), y la detección colorimétrica de las reacciones químicas y las interacciones. Detección de partículas térmica Detectar y contar las partículas en dispositivos de microfluidos se utiliza ampliamente para aplicaciones medioambientales, industriales y biológicos 1. TPD es una de las aplicaciones novedosas de mediciones térmicas en dispositivos de microfluidos 2. El uso de transferencia de calor para detectar y contar las partículas basadas en el tamaño de las partículas reduce la complejidad, costo y tamaño del sistema. En otros métodos, la óptica complejos o mediciones eléctricas complejas y software avanzado de procesamiento de señales se utilizan para la detección de partículas. Chara térmicacterization de sustancias líquidas Utilizando Micro-Calorímetro Liquid caracterización térmica de la muestra es la segunda aplicación de medición térmica en dispositivos de microfluidos. Realización de calorimetría microescala reducirá el consumo de muestra y aumentar la precisión, ofreciendo mayor repetibilidad en comparación con los métodos convencionales de calorimetría, a granel. Los procedimientos para la medición de la conductividad térmica y calor específico utilizando el dispositivo de micro-calorímetro en el chip se presentan en otras partes 3. Los detalles de la técnica de tiempo de penetración de calor para la medición de la conductividad térmica y el análisis de la onda térmica (TWA) para las mediciones de calor específico en dispositivos de microfluidos se describen en la sección de protocolo. Dispositivo de microfluidos Basado en Papel calorimétrico Bio-Química Detección en Otra aplicación de medición térmica es la detección bioquímica en la microfluídica basados ​​en papel. La acción capilar en elestructura porosa de papel lleva el líquido y evita los problemas de iniciación de burbujas en microcanales. Los mecanismos de detección más comunes en los dispositivos de microfluidos en papel son técnicas ópticas o electroquímicas. Detección óptica sufre de alta complejidad y la necesidad de software avanzado procesamiento de imágenes para cuantizar la señal detectada. Detecciones electroquímicos también están limitados debido a que sólo se pueden aplicar a las reacciones que producen subproductos activos. La plataforma recientemente introducido calorimétrico basado en papel sensor bioquímico 4 toma ventaja del sistema de microfluidos basado en papel y el mecanismo de detección térmica de la etiqueta libre. Los procedimientos de detección calorimétrica de la glucosa utilizando glucosa oxidasa (GOD) enzima en una plataforma de microfluidos basado en papel se presentan en la sección de protocolo. El objetivo de este trabajo es demostrar las capacidades de las técnicas de medición térmica en dispositivos de microfluidos. El preparatio dispositivon, muestra de líquido detector de manejo y resistencia a la temperatura (RTD) de excitación del sensor y la medición se presentan en las siguientes secciones.

<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.

La Figura 3 muestra la trama de la señal térmica medido. Las señales generadas en la presencia de las perlas con imágenes ópticas correspondientes muestran la detección exitosa de las perlas de PS de microesferas en la micro-canal. La conductividad térmica del líquido que pasa a través de la micro-canal está cambiando debido a la presencia de perlas de PS. Este cambio en la conductividad térmica del canal está afectando a la transferencia de calor en el micro-canal. El cambio en la transfere...

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Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

Técnicas de medición Térmicas en analíticas de microfluidos Dispositivos

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

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

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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.

Caracterización de Transporte térmica en materiales sólidos unidimensionales

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

Investigación

Ingeniería

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.

Cargando óptica Trampa de micropartículas en dieléctrica del aire

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.

Unión con disolvente para la fabricación de PMMA y CP dispositivos de microfluidos

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.

Medición de la distribución de las microescenas a escala nanométrica a partir del muestreo

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.

Generación de tamaño controlado poli (etilenglicol) Diacrylate gotas vía Semi 3-Dimensional del flujo centrándose dispositivos microfluídicos

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.

Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

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.

Desarrollo del método para estudios espectroscópicos dieléctricos de cavidad resonante sin contacto de papel celulósico

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.

Fabricación de canales de nanoaltura que incorporan la actuación de onda acústica superficial a través de niobato de litio para nanofluídicos acústicos

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 Medición de Temperatura de Superficie en un Horno de Cinta Transportadora a través de Termografía Infrarroja Inline

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.

Técnicas de fabricación microfluídica para pruebas de alta presión de transporte de espuma de CO2 supercrítico supercrítico a microescala en depósitos no convencionales fracturados

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