Un soutien financier partiel pour ce travail a été fourni par la National Science Foundation des États-Unis à travers le Centre de recherche coopérative de l&#39;industrie / université sur les équipements et Politique situé à l&#39;Université de Wisconsin-Milwaukee (PII-0968887) et de l&#39;Université Marquette (PII-0968844) eau. Nous remercions M. Glenn Walker, Woo-Jin Chang et Shankar Radhakrishnan pour des discussions utiles.

1. Détection de particules thermique (DPT) <ol><li> Préparer le dispositif en silicium micro-fabriqué avec une membrane de nitrure de silicium à couche mince et capteur de température intégré par micro-usinage, en utilisant la technologie semiconducteur standard de traitement 2. Rincer le dispositif fabriqué avec (DI) de l&#39;eau déminéralisée. Note: La méthode de fabrication de détecteur de particules thermique dispositif microfluidique est expliqué dans la publication préalable 2. </li><li> Pour produire polydiméthylsiloxane (PDMS) substrats avec des micro-canaux, créer un moule SU8 par lithographie norme traite 5. Remarque: La taille du canal est conçu pour la dimension de chaque particule spécifique. <ol><li> Assurez-PDMS en mélangeant un rapport 10: 1 de base (30 ml) et de l&#39;agent (3 ml) le durcissement. Verser sur les PDMS dans le moule et enlever les bulles en exposant brièvement à un vide (5-10 min). Remarque: Le niveau de vide est pas une valeur critique pour le dégazage et il devrait se poursuivre jusqu&#39;à bubb de gazles sont totalement retiré de PDMS mixtes. </li><li> Placer le moule sur une plaque chauffante (~ 70 ° C) pendant 2 heures pour durcir les PDMS. Puis décoller les PDMS très soigneusement afin de ne pas endommager le moule. Remarque: le niveau de vide est pas une valeur critique. </li></ol></li><li> Utiliser un poinçon manuel, percer un trou serré (1 mm) pour le tube de PTFE à une extrémité. Utilisez un grand coup de poing (2 mm) à l&#39;autre extrémité de rendre les PDMS un réservoir. Placez le micro-canal perforé sur le dessus du dispositif sous le microscope et aligner la sonde au centre de la micro-canal (figure 1A). </li><li> Dans l&#39;interface électrique, relier les broches électriques dans les positions de plot de contact et serrer les vis de blocage. Assurez-vous que les broches réglables en hauteur (broches) sont assis à Pogo les électrodes appropriés sur le périphérique. </li><li> Diluer 10 ul de billes de PS concentrées dans 100 pl d&#39;eau désionisée dans un tube de 1,5 ml. </li><li> Pour assurer la PS perles restent flottabilité neutre, ajouter 2,7 pi de glycérol (1,26g / cm 3) de l&#39;eau DI pour correspondre à la densité du fluide à la densité des billes de polystyrène (PS) (1,05 g / cm 3). </li><li> Connecter le tube en PTFE sur le canal à une extrémité et l&#39;autre extrémité sur une seringue en verre de 1 ml. Remplir la seringue en verre avec 0,5 ml d&#39;eau DI. Remarque: moulante fait en sélectionnant la taille de coup de poing droit permettra d&#39;éviter les fuites dans les tubes. </li><li> Placer l&#39;eau DI seringue remplie sur la pompe à seringue commandée par ordinateur. Poussez l&#39;eau (5-20 pi / min) dans le canal pour remplir le canal avec du liquide tout le chemin vers le réservoir. </li><li> Charge: 10 ul de solution de talon équilibré au réservoir et introduire la solution de billes à la micro-canaux en modifiant la direction d&#39;écoulement de la pompe à seringue. </li><li> Allumer le RTD par une sollicitation mA de courant continu à travers le commandée par ordinateur de source / mètre alors que par mesure de la résistance de source / mètre et le tri des données de mesure (figure 2). Remarque: Au cours de l&#39;expérience, le capteur est sollicité; par conséquent, la température est mesurée en continu jusqu&#39;à ce que la fin de l&#39;expérience de comptage. Le capteur RTD est polarisée électriquement par application d&#39;un courant continu dans la plage de 100 uA à 1 mA pour mesurer en continu la température jusqu&#39;à la fin de l&#39;expérience de comptage. Il est essentiel de choisir le niveau actuel exact, car il est un compromis entre le niveau de bruit et l&#39;amplitude du signal détecté. La pompe à seringue est utilisé pour générer l&#39;écoulement dans le micro-canal. La sélection d&#39;un débit approprié pour effectuer l&#39;expérience de la DPT est limitée à la vitesse de la mesure. Cette vitesse est fonction de la constante de temps thermique du dispositif de mesure de vitesse et de courant. Les résultats de l&#39;expérience de détection de particules thermique sont présentés dans la figure 3. </li><li> Utiliser le logiciel de traitement de données développée (LabVIEW) pour convertir les données sur la résistance de mesure de température en utilisant l&#39;équation Callendar-Van Dusen 6. </li></ol> 2. thermiqueCaractérisation des substances liquides aide d&#39;un micro-calorimètre <ol><li> Dans ce processus, utiliser le dispositif sur puce calorimètre (figure 4A) 3 pour mesurer la diffusivité thermique et la chaleur spécifique des échantillons. Remarque: Sur chaque filière, il ya 2 chambres micro-calorimètre (figure 4B). Chaque chambre comporte deux entrées et une sortie. Et chaque chambre dispose d&#39;un chauffage et un capteur RTD intégré. </li><li> Placez le dispositif de micro-calorimètre sur le support de l&#39;appareil (figure 4C). Aligner le dispositif aux entrées et sorties microfluidiques avec les raccords de titulaire. Passer la couche d&#39;étanchéité PDMS sur le dessus du dispositif. </li><li> Installez broches de connexion électrique sur le support de l&#39;appareil et bloquer les vis de maintien. Remarque: Assurez-vous que les broches de Pogo réglables en hauteur sont alignés avec les plots de contact électrique. </li><li> Installez la couche d&#39;interface microfluidique avec loquets magnétiques à la porte de l&#39;appareil (figure 4D). Connecter le PTFE tubes à deux entrées et la sortie. Connectez une entrée de la pompe de la seringue échantillon chargé et fermer l&#39;autre, comme l&#39;enthalpie ne se mesure pas dans ce cas. </li><li> Utilisez un programme contrôlé par ordinateur développé pour charger l&#39;échantillon dans le micro-canal et chambres. Remarque: Le programme utilisera flux abandonnée pour relâcher la pression excessive sur la chambre, suspendus à couche mince. <ol><li> Chargez l&#39;échantillon de 300 pl dans la seringue de verre et le placer sur la pompe seringue. Utilisez très lentes (0,25 pi / min) des débits constants pour les échantillons à haute viscosité (par exemple, le glycérol et les liquides ioniques). Utilisez un échantillon de glycérol pour les mesures de diffusivité thermique et liquides ioniques pour mesures de chaleur spécifique. </li></ol></li><li> Mesures <ol><li> Mesures de diffusivité thermique <ol><li> Branchez la configuration des mesures comme le montre la figure 5A. Chargez l&#39;échantillon de glycérol à la chambre micro-calorimètre. Exécutez le programme commandé par ordinateur modifié pour HEA<html> t pénétration de mesure du temps. </li><li> Utiliser l&#39;équation de pénétration de la chaleur étalonné pour calculer la diffusivité thermique du temps de pénétration de la chaleur mesurée 7: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> où α est la diffusivité thermique, L est l&#39;épaisseur de la chambre, p est le facteur d&#39;étalonnage de l&#39;épaisseur en raison de la variation du processus de fabrication, et t 0 est le temps de pénétration de la chaleur. </li></ol></li><li> Mesures de chaleur spécifique <ol><li> Utilisez la configuration de mesure TWA comme le montre la figure 5B. Utilisez le même programme de chargement d&#39;échantillon et de charger le liquide ionique dans la chambre. Exécutez le programme TWA pour obtenir l&#39;amplitude des fluctuations de température AC (∂ T AC) et utiliser l&#39;équation de la chaleur spécifique pour calculer le spécifique, c p, la chaleur pour chaque échantillon de liquide ionique 8: 28eq2.jpg &quot;width =&quot; 117 &quot;/&gt; où C 0 est entrée facteur d&#39;étalonnage de puissance, P est la puissance en entrée, ω est la fréquence du signal d&#39;actionnement, et m est la masse de l&#39;échantillon liquide. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. calorimétrique biochimique de détection à base de papier en dispositif microfluidique <ol><li> Utilisez microfabriquée film mince (40-50 nm de nickel) capteur de RDT. étapes de fabrication pour le capteur RTD sont expliquées dans les travaux précédents 4. </li><li> Pour la fabrication des canaux à base de papier-4, utiliser un traceur de couteau pour couper le papier canaux microfluidiques avec un modèle conçu (en forme de L). Placez le papier sur le dessus du tapis de coupe, charger le papier et le tapis de découpe au traceur de couteau, et d&#39;utiliser la recette appropriée pour couper les canaux microfluidiques de papier 4. </li><li> Pour l&#39;intégration de périphérique et le canal, utiliser une couche adhésif acrylique (5 um) à intégrer le papier sur le capteur RTD. Utilisez un propre blade pour pousser le papier à l&#39;appareil et enlever les bulles d&#39;air (figure 6A). Le film acrylique est une couche d&#39;adhésif pour maintenir le papier capteur RTD. </li><li> Pour l&#39;activation de l&#39;enzyme, en utilisant un tampon acétate de sodium 50 mM à activer l&#39;enzyme GOD. Ajouter 1 mg de l&#39;enzyme GOD à 1 ml de tampon d&#39;acétate de sodium pour rendre la solution à 1 mg / ml. Ajuster le pH de la solution à 5,1. Remarque: Régler la quantité d&#39;acide acétique dans le tampon d&#39;acétate de sodium pour maintenir le pH de la solution 5,1. </li><li> Bias la RDT avec 1 mA de courant continu pour activer le RDT et démarrer la mesure de la source de résistance / mètre en continu tandis que la résistance installe après l&#39;expérience (~ 4 min). Remarque: La figure 6B montre la configuration de mesure pour le test colorimétrique à base de papier. </li><li> Présentez les 2 pi de la solution DIEU préparé au centre du micro-canal de papier (site de l&#39;immobilisation) via une pipette. La température détectée (figure 7A) doit commencer to diminuer. Remarque: Cet effet de refroidissement est due à la plus haute température de fonctionnement de la sonde et de l&#39;évaporation de l&#39;échantillon en même temps. </li><li> Pour mesurer la concentration de glucose, d&#39;introduire la solution de contrôle de glucose norme 9 à l&#39;entrée du canal et à mesurer le changement de résistance causé par la réaction. Répétez cette expérience avec toutes les solutions de contrôle de glucose différentes (haute, normale et de faibles concentrations) et d&#39;enregistrer les données sur la résistance. </li><li> En utilisant le coefficient de température de résistance (CTR) de RDT de nickel et l&#39;équation Callendar-Van Dusen, convertir le changement de résistance à la température. Calculer la concentration du glucose dans chaque échantillon en tenant compte de l&#39;enthalpie de la réaction de glucose et l&#39;enzyme GOD (Δ H = -80 kJ / mole) et en utilisant l&#39;équation de 10 concentration: <img alt="Équation 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> où n p est détectée concentration molaire, C <sub&gt; P est la capacité thermique du système et la température AT est calculée. </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>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

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...

Trois techniques différentes de mesure thermiques à micro-échelle sont présentés dans cet article. Les trois configurations différentes de dispositifs microfluidiques sont utilisés pour la détection thermique des particules (TPD), la caractérisation thermique (conductivité thermique et la chaleur spécifique), et détection colorimétrique des réactions chimiques et des interactions. Détection de particules thermique Détection et le comptage des particules dans des dispositifs microfluidiques est largement utilisé pour des applications environnementales, industrielles et biologiques 1. DPT est l&#39;une des nouvelles applications de mesures thermiques dans des dispositifs microfluidiques 2. Utilisation de transfert de chaleur pour la détection et le comptage des particules en fonction de la taille des particules réduit la complexité, le coût et la taille du système. Dans d&#39;autres procédés, l&#39;optique complexes ou des mesures électriques complexes et logiciel avancé de traitement de signal sont utilisés pour détecter des particules. Chara thermiquecterization de substances liquides utilisant des micro-calorimètre Caractérisation thermique échantillon liquide est la deuxième application de la mesure thermique dans des dispositifs microfluidiques. Exécution calorimétrie à micro-échelle permettra de réduire la consommation de l&#39;échantillon et augmenter la précision en offrant une répétabilité élevée par rapport à des méthodes classiques de calorimétrie vrac. Les procédures pour la conductivité thermique et mesure de la chaleur spécifique en utilisant le dispositif de micro-calorimètre sur puce sont présentées ailleurs 3. Les détails de la technique de temps de pénétration de la chaleur pour la mesure de la conductivité thermique et l&#39;analyse de l&#39;onde thermique (TWA) pour des mesures spécifiques de chaleur dans des dispositifs microfluidiques sont décrits dans la partie protocole. Dispositif microfluidique calorimétrique Bio-chimique de détection dans Paper-Based Une autre application de mesure thermique est la détection biochimique en microfluidique à base de papier. L&#39;action capillaire dans lestructure poreuse de papier porte le liquide et évite bulles problèmes d&#39;initiation dans des micro-canaux. Les mécanismes de détection les plus communs dans les dispositifs microfluidiques sur support papier sont des techniques optiques ou électrochimiques. La détection optique souffre d&#39;une grande complexité et de la nécessité de logiciels avancés de traitement d&#39;image à quantifier le signal détecté. Détections électrochimiques sont également limitées car ils ne peuvent être appliquées à des réactions qui produisent des sous-produits actifs. La plate-forme de capteur calorimétrique biochimique à base de papier récemment introduit quatre tire parti du système microfluidique à base de papier et le mécanisme de détection thermique sans étiquette. Les procédures de détection colorimétrique du glucose utilisant la glucose oxydase (GOD) enzyme dans une plate-forme microfluidique à base de papier sont présentés dans la section de protocole. Le but de cet article est de démontrer les capacités de techniques de mesure thermiques dans des dispositifs microfluidiques. Le dispositif PRÉPARATIOn, échantillon liquide détecteur manipulation et la résistance température (RTD) excitation du capteur et la mesure sont présentés dans les sections suivantes.

<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.

Figure 3 montre le tracé du signal thermique mesurée. Les signaux générés en présence des perles avec des images optiques correspondantes montrent la détection réussie des billes de PS microsphère dans le micro-canal. La conductivité thermique du liquide passant à travers le micro-canal est en train de changer à cause de la présence de billes de PS. Cette modification de la conductivité thermique du canal affecte le transfert de chaleur dans la micro-canal. Le changement dans le transfert ...

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Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

Techniques de mesure thermiques dans les dispositifs microfluidiques analytiques

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

9.5K vues.  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.

Caractérisation des Transports thermique dans des matériaux solides unidimensionnels

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

Recherche

Ingénierie

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.

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans Air

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.

Collage de solvant pour la fabrication de PMMA et COP dispositifs microfluidiques

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.

Mesure de la répartition de la souche Micro / Nano-scale à partir de Franges Moiré d&#39;échantillonnage

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.

Génération de taille-contrôlée Poly (éthylène Glycol) Diacrylate gouttelettes via Semi-3-Dimensional Flow mise au point des dispositifs microfluidiques

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.

Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux

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.

Développement de méthodes pour les études spectroscopiques diélectriques de cavité séroélectrique sans contact de papier cellulosique

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.

Fabrication de canaux nanométriques incorporant l'actuation des ondes acoustiques de surface via le niobate de lithium pour la nanofluidique acoustique

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.

Mesure de la température de surface in situ dans un four à convoyeur via la thermographie infrarouge 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.

Techniques de fabrication microfluidiques pour l’essai à haute pression du transport supercritique de mousse de CO2 à micro-échelle dans les réservoirs non conventionnels fracturés

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