תמיכה כספית חלקית עבור עבודה זו סופקה על ידי הקרן הלאומית למדע בארה&quot;ב דרך המרכז למחקר השיתופי התעשייה / אוניברסיטה במי ציוד ומדיניות הממוקמת באוניברסיטה ויסקונסין-מילווקי (IIP-0,968,887) ואוניברסיטת מרקט (IIP-0,968,844). אנו מודים גלן מ &#39;ווקר, וו-ג&#39;ין צ&#39;אנג והנקר Radhakrishnan לדיונים מועילים.

1. חלקיקים איתור תרמי (TPD) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את מכשיר סיליקון-מפוברק מיקרו עם קרום סרט דק סיליקון ניטריד וחיישן טמפרטורה משולב על ידי micromachining, באמצעות טכנולוגיית עיבוד מוליכים למחצה סטנדרטיים 2. יש לשטוף את המכשיר המפוברק עם מים ללא יונים (DI). הערה: שיטת הייצור למכשיר microfluidic גלאי חלקיקים תרמיים מוסברת בפרסום לפני 2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לייצר polydimethylsiloxane מצעים (PDMS) עם מיקרו-ערוצים, ליצור עובש SU8 באמצעות יתוגרפיה סטנדרטית מעבד 5. הערה: גודל הערוץ מיועד לממד אחד של חלקיק מסוים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך PDMS על ידי ערבוב 10: 1 יחס של בסיס (30 מיליליטר) וסוכן ריפוי (3 מיליליטר). יוצקים את PDMS על העובש ולהסיר את הבועות על ידי חשיפתו לזמן קצר לואקום (5-10 דקות). הערה: רמת הוואקום היא לא ערך קריטי לdegasification ואת זה צריך להמשיך עד bubb גזles יוסרו לחלוטין ממעורב PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את התבנית על פלטה חמה (~ 70 מעלות צלזיוס) במשך שעה 2 כדי לרפא את PDMS. אז לקלף את PDMS מאוד בזהירות כדי לא לפגוע בעובש. הערה: רמת אבק היא לא ערך קריטי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באמצעות אגרוף ידני, אגרוף חור הדוק (1 מ&quot;מ) לצינור PTFE בקצה אחד. השתמש אגרוף גדול (2 מ&quot;מ) בקצה השני כדי להפוך את PDMS מאגר. מניחים את ערוץ מיקרו אגרוף בחלק העליון של המכשיר מתחת למיקרוסקופ וליישר את RTD במרכז ערוץ מיקרו (איור 1 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בממשק החשמל, לחבר את הסיכות חשמליות בעמדות כרית המגע ולהדק את ברגי הנעילה. ודא סיכות גובה מתכוונן (סיכות פוגו) לשבת ברפידות האלקטרודה הנכונות במכשיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדלל 10 μl של חרוזים PS מרוכזים במי DI 100 μl בצינור 1.5 מיליליטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי להבטיח את PS חרוזים להישאר ניטראלי קלילים, להוסיף 2.7 μl של גליצרול (1.26g / סנטימטר 3) למים די כדי להתאים את צפיפות הנוזל לצפיפות חרוז פוליסטירן (PS) (1.05 גר &#39;/ סנטימטר 3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את צינור PTFE לערוץ בקצה אחד ואת הקצה השני למזרק זכוכית 1 מיליליטר. מלא את מזרק הזכוכית עם 0.5 מיליליטר של מים DI. הערה: מתאים הדוק שנעשה על ידי בחירת גודל האגרוף הנכון יהיה למנוע דליפה בצינורות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את המים די מילאו מזרק על משאבת המזרק מבוקר מחשב. לדחוף את המים (5-20 μl / min) לערוץ כדי למלא את כל הערוץ עם נוזל כל הדרך למאגר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עומס 10 μl של פתרון חרוז מאוזן למאגר ולהציג את פתרון חרוז לערוץ מיקרו על ידי שינוי כיוון הזרימה על משאבת מזרק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את RTD על ידי הטיית 1 mA של זרם DC במקור / מטר המחשב מבוקר, תוך מדידת ההתנגדות על ידי מקור / מטר ומיון הנתונים שנמדדו (איור 2). הערה: במהלך הניסוי, החיישן הוא מוטה; לכן, הטמפרטורה נמדדת ברציפות עד לסוף ניסוי הספירה. חיישן RTD מוטה חשמלי על ידי היישום נוכחי DC בטווח של 100 מיקרו-אמפר לmA 1 למדוד את הטמפרטורה עד סוף ניסוי הספירה ברציפות. זה קריטי כדי לבחור את הרמה הנוכחית הנכונה שכן יש תחלופה בין רמת רעש ומשרעת האות המזוהות. משאבת המזרק משמשת ליצירת הזרימה במייקרו-ערוץ. בחירת קצב זרימה מתאימה כדי לבצע את ניסוי TPD מוגבל למהירות של המדידה. מהירות זו היא פונקציה של זמן קבוע התרמית של המכשיר ומהירות מדידה חשמלית. התוצאות של ניסוי גילוי חלקיקים תרמי מוצגות באיור 3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתוכנה שפותחה על עיבוד נתונים (LabVIEW) להמיר את נתוני התנגדות נמדדו טמפרטורה באמצעות משוואת Callendar-ואן דוסן 6. </li></ol> 2. תרמייםאפיון של חומרים נוזליים באמצעות מיקרו-קלורימטר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בתהליך זה, להשתמש במכשיר על-שבב קלורימטר (איור 4 א) 3 למדוד את diffusivity התרמי והחום סגולי של הדגימות. הערה: בכל ימות, יש 2 תאי מיקרו-קלורימטר (איור 4). לכל תא 2 פתחי הכניסה ויציאה אחת. וכל תא יש חימום וחיישן RTD המשולב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מכשיר מיקרו-קלורימטר על בעל המכשיר (איור 4C). יישר את המכשיר לצריכת microfluidic ושקעים עם אבזרי בעל. מניחים את שכבת חותם PDMS על גבי המכשיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן סיכות חיבור חשמליות על בעל המכשיר ולנעול את הברגים מחזיק. הערה: ודא סיכות פוגו גובה מתכוונן מיושרות עם כריות מגע חשמליות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן את שכבת ממשק microfluidic עם תפסים מגנטיים לבעל המכשיר (איור 4D). חבר PTFE צינורות שני פתחי הכניסה והיציאה. חבר כניסה אחת ל- נטען מדגם משאבת המזרק ולסגור את השני, כמו אנתלפיה אינה נמדדה במקרה זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתכנית מבוקרת מחשב שפותחה כדי לטעון את המדגם לערוץ מיקרו ותאים. הערה: התכנית תשתמש זרימה הופסקו לשחרר לחץ מוגזם על החדר המושעה סרט דק. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את מדגם 300 μl לתוך מזרק הזכוכית ולמקם אותו על משאבת המזרק. השתמש (0.25 μl / min) שיעורי זרימה מתמידים איטיים מאוד עבור דגימות צמיגות גבוהות (למשל, גליצרול ונוזלים יוניים). השתמש מדגם גליצרול למדידות תרמית diffusivity ונוזלים יוניים למדידות חום סגוליות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידות diffusivity תרמיים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את התקנת המדידות כפי שמוצג באיור 5 א. טען את מדגם גליצרול לתא מיקרו-קלורימטר. הפעל את תכנית המחשב נשלט שונה מערכות חימום<html> חדירה לא מדידת זמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במשוואת חדירת חום המכויל כדי לחשב diffusivity תרמית מרגע חדירת החום שנמדד 7: <img alt="משוואת 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> שבו α הוא diffusivity התרמי, L הוא עובי של קאמרי, עמ &#39;הוא גורם כיול עובי בשל וריאציה תהליך הייצור, ולא 0 זמן חדירת חום. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידות חום סגולית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בהגדרת מדידת TWA כפי שמוצג באיור 5. השתמש באותה תכנית טעינת מדגם ולטעון את הנוזל היוני בתא. הפעל את תכנית TWA כדי לקבל את המשרעת של תנודות טמפרטורת AC (∂ T AC) ולהשתמש במשוואת החום הסגולית לחישוב ספציפי, עמ &#39;ג, חום עבור כל דגימת נוזל יונית 8: &quot;Width =&quot; 117 28eq2.jpg &quot;/&gt; כאשר C הוא גורם כיול 0 כוח קלט, P בהוא כוח קלט, ω הוא התדר של האות להפעלה ללא, וM היא המסה של מדגם נוזלי. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Calorimetric יוכימית איתור במכשיר microfluidic מבוסס נייר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש חיישן RTD סרט דק (40-50 ננומטר ניקל) microfabricated. צעדי ייצור לחיישן RTD מוסברים בעבודות קודמות 4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור ייצור ערוץ המבוסס על נייר 4, להשתמש תואי סכין כדי לחתוך את נייר ערוצי microfluidic עם דפוס שנועד (L-צורה). הנח את הנייר על גבי מחצלת החיתוך, טענת את הנייר ומחצלת החיתוך לתואי הסכין, ולהשתמש במתכון המתאים לחתוך את נייר ערוצי microfluidic 4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשילוב מכשיר וערוץ, להשתמש שכבת דבק אקרילי (5 מיקרומטר) לשלב את הנייר על חיישן RTD. השתמש ב נקיאדה לדחוף את הנייר למכשיר ולהסיר בועות אוויר (איור 6 א). סרט אקריליק הוא שכבת דבק להחזיק את הנייר על חיישן RTD. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפעלת אנזים, להשתמש חיץ נתרן אצטט 50 מ&quot;מ על מנת להפעיל את אנזים אלוהים. להוסיף 1 מ&quot;ג של אנזים אלוהים 1 מיליליטר של חיץ נתרן אצטט לעשות 1 מ&quot;ג / מיליליטר הפתרון. התאם את ה- pH של התמיסה 5.1. הערה: התאם את כמות החומצה אצטית במאגר נתרן אצטט כדי לשמור על PH של 5.1 פתרון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ההטיה RTD עם 1 נוכחי mA של DC כדי להפעיל את RTD ולהתחיל למדוד את מקור התנגדות / המטר ברציפות תוך ההתנגדות נרגעת לאחר הניסוי (~ 4 דקות). הערה: איור 6 מראה את התקנת המדידה לבדיקת calorimetric המבוסס על נייר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להציג 2 μl של פתרון אלוהים הכין למרכז נייר ערוץ מיקרו (אתר קיבוע) באמצעות פיפטה. הטמפרטורה זוהתה (איור 7 א) חייבת להתחיל to להקטין. הערה: אפקט קירור זאת בשל הטמפרטורה גבוהה יותר בהפעלתה של RTD ואידוי של המדגם יחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי למדוד את ריכוז הסוכר, להציג שליטת גלוקוז סטנדרטית פתרון 9 לכניסת הערוץ ולמדוד את השינוי בהתנגדות שנגרם על ידי התגובה. חזור על ניסוי זה עם כל פתרונות השונים שליטת גלוקוז (גבוהים, רגילים וריכוזים נמוכים) ולשמור את נתוני התנגדות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש במקדם הטמפרטורה של ההתנגדות (TCR) לRTD ניקל ומשוואת Callendar-ואן דוסן, להמיר את שינוי ההתנגדות לטמפרטורה. חשב את הריכוז של גלוקוז בכל דגימה על ידי בהתחשב באנתלפיה התגובה של גלוקוז ואנזים אלוהים (Δ H = -80 kJ / שומה) ובאמצעות משוואת הריכוז 10: <img alt="משוואה 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> כאשר p n מזוהה ריכוז טוחנת, C <sub&gt; P הוא קיבולת חום של המערכת וΔT מחושב טמפרטורה. </li></ol>

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

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

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...

שלוש שיטות מדידה שונות מיקרו בקנה מידה תרמית מוצגות במאמר זה. שלוש התצורות שונות של מכשירי microfluidic משמשות לגילוי תרמית חלקיקים (TPD), אפיון תרמי (מוליכות תרמית וחום ספציפי), וזיהוי calorimetric של תגובות ואינטראקציות כימיות. גילוי חלקיקים תרמי זיהוי וספירת חלקיקים במכשירי microfluidic הוא בשימוש נרחב עבור יישומים סביבתיים, תעשייתיים, וביולוגיים 1. TPD הוא אחד יישומי הרומן של מדידות תרמית במכשירי microfluidic 2. באמצעות העברת חום לגילוי וספירת חלקיקים המבוססים על גודל החלקיקים מפחית את המורכבות, עלות, וגודלה של המערכת. בשיטות אחרות, אופטיקה המורכבת או מדידות חשמליות מורכבות ותוכנת עיבוד אותות מתקדמת המשמשים לאיתור חלקיקים. Chara התרמיcterization של חומרים נוזליים באמצעות מיקרו-קלורימטר אפיון תרמי מדגם נוזלי הוא היישום השני של מדידת תרמית במכשירי microfluidic. ביצוע calorimetry מיקרו בקנה המידה יפחית את צריכת המדגם ולהגדיל את הדיוק על ידי מתן הדירות גבוהות יותר בהשוואה לשיטות קונבנציונליות calorimetry, בתפזורת. הנהלים למוליכות תרמית ומדידת חום סגולי שימוש במכשיר מיקרו-קלורימטר על השבב מוצגים במקום אחר 3. הפרטים של טכניקת חדירת חום למדידת זמן מוליכות תרמית וניתוח הגל התרמי (TWA) למדידות חום ספציפיות במכשירי microfluidic מתוארים בסעיף הפרוטוקול. מכשיר microfluidic Calorimetric ביו-כימי איתור בנייר מבוסס יישום נוסף של מדידת תרמית הוא גילוי ביוכימיים במיקרופלואידיקה המבוסס על נייר. פעולת הנימים במבנה נקבובי של נייר נושא את הנוזל וימנע בעיות ייזום בועה במייקרו-ערוצים. מנגנוני זיהוי הנפוצים ביותר במכשירי microfluidic מבוסס נייר טכניקות אופטיות או אלקטרוכימי. זיהוי אופטי סובל ממורכבות גבוהה ושיש הצורך בתוכנת עיבוד תמונה המתקדמת לקוואנטיזציה האות המזוהות. תגליות אלקטרוכימי גם מוגבלות, משום שהם יכולים להיות מיושמים רק לתגובות המייצרות תוצרי לוואי פעילים. הפלטפורמה הציגה לאחרונה calorimetric מבוסס נייר החיישן ביוכימיים 4 מנצלת את מערכת microfluidic מבוסס נייר ומנגנון זיהוי התרמי ללא תווית. הנהלים של זיהוי calorimetric של גלוקוז באמצעות אנזים גלוקוז אוקסידאז (אלוהים) בפלטפורמת מייקרו-נוזלית המבוסס על נייר מוצגים בסעיף הפרוטוקול. המטרה של מאמר זה היא להדגים את היכולות של טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic. Preparatio המכשירn, מדגם נוזלי גלאי טמפרטורת טיפול והתנגדות עירור חיישן (RTD) ומדידה מוצגים בסעיפים הבאים.

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

thermal measurement techniques in analytical microfluidic devices

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. Micromachining techniques allow reduction of the thermal mass of fabricated structures and introduce the possibility to perform high sensitivity thermal measurements in the micro-scale and nano-scale devices. Combining thermal measurement techniques with microfluidic devices allows performing different analytical measurements with low sample consumption and reduced measurement time by integrating the miniaturized system on a single chip. The procedures of thermal measurement techniques for particle detection, material characterization, and chemical detection are introduced in this paper.

איור 3 מציג את העלילה של האות התרמית נמדדה. האותות שנוצרו בנוכחות חרוזים עם תמונות אופטיות מקבילה להראות זיהוי המוצלח של חרוזים PS microsphere בערוץ מיקרו. מוליכות התרמית של הנוזל עובר דרך ערוץ מיקרו משתנים בשל נוכחותם של חרוזים PS. שינוי במוליכות התרמית של הערוץ זה...

Watch this Scientific Journal Video about Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices at JoVE.com

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic אנליטי

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

thermal-measurement-techniques-in-analytical-microfluidic-devices

Research

JoVE Journal

Engineering

9.6K Views.  Marquette University. Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices. 

Video: Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

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

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

חישת Terahertz Microfluidic באמצעות חיישן מוליך גל מקביל צלחת

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

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

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

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

שיטות גילוי הקרינה לפלטפורמות אגל microfluidic

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

Bioengineering

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

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

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

חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה

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

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

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

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

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

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

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

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

ייצור ובדיקה של מדי חום פוטוני

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

Chemistry

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

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

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

בטכניקת מדידת טמפרטורה אינפרא אדום המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מים

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

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

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

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

מדידות של העברת החום הולכת חום מקומי מיידי בתוך צינור - יחיד, דו-שלבית זרימה

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

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

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

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

ניתוח inhomogeneity ערבוב במכשיר microfluidic על ידי טכניקת microscale Schlieren

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

A Microfluidic Device for Quantifying Bacterial Chemotaxis in Stable Concentration Gradients

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

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

מכשיר microfluidic לכימות Chemotaxis חיידקים Gradients ריכוז אורווה

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

Biology

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

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

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

הליך ליטוגרפית רך לייצור מכשירים Microfluidic פלסטיק עם יציאות תצוגה שקוף לאור גלויים ולא אינפרא-אדום

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