Sostegno finanziario parziale per questo lavoro è stato fornito dalla US National Science Foundation attraverso la Industria / Università Cooperative Research Center on Equipment Water &amp; Policy situato presso la University of Wisconsin-Milwaukee (IIP-0.968.887) e Marquette University (IIP-0.968.844). Ringraziamo Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang e Shankar Radhakrishnan per le discussioni utili.

1. termica rivelazione di particelle (TPD) <ol><li> Preparare il dispositivo di silicio micro-fabbricate con una membrana di nitruro di silicio a film sottile e sensore di temperatura integrato per micromachining, utilizzando una tecnologia di semiconduttori standard di 2. Sciacquare il dispositivo fabbricato con acqua deionizzata (DI). Nota: il metodo di fabbricazione per il rivelatore di particelle termico dispositivo microfluidica è spiegato in pubblicazione preliminare 2. </li><li> Per produrre polidimetilsilossano (PDMS) substrati con micro-canali, creare uno stampo SU8 utilizzando la litografia standard di processi 5. Nota: La dimensione del canale è stato progettato per la dimensione di ogni particella specifica. <ol><li> Rendere PDMS mescolando un rapporto di 10: 1 di base (30 ml) e agente (3 ml) polimerizzazione. Versare il PDMS sulla allo stampo e rimuovere le bolle brevemente esponendola ad un vuoto (5-10 min). Nota: Il livello di vuoto non è un valore critico per la degassificazione e dovrebbe continuare fino bubb gasles sono totalmente rimosso da PDMS misti. </li><li> Mettere lo stampo su una piastra (~ 70 ° C) per 2 ore per curare il PDMS. Poi staccare il PDMS molta attenzione per non danneggiare lo stampo. Nota: il livello di vuoto non è un valore critico. </li></ol></li><li> Usando un punzone manuale, un buco stretto (1 mm) per il tubo di PTFE ad una estremità. Utilizzare un grande punzone (2 mm) all&#39;altra estremità per rendere le PDMS un serbatoio. Posizionare il micro-channel perforate sulla parte superiore del dispositivo al microscopio e allineare l&#39;RTD al centro della micro-canale (Figura 1A). </li><li> Nell&#39;interfaccia elettrico, collegare i pin elettriche al contatto posizioni pad e stringere le viti di bloccaggio. Assicurarsi che i piedini regolabili in altezza (pin Pogo) siedono alle elettrodi corretti sul dispositivo. </li><li> Diluire 10 ml di perline concentrati PS in 100 ml di acqua deionizzata in un provetta da 1,5 ml. </li><li> Per garantire la PS perline rimangono galleggiamento neutro, aggiungere 2,7 ml di glicerolo (1.26g / cm 3) di acqua deionizzata in modo che corrisponda alla densità del fluido al polistirolo (PS) densità tallone (1,05 g / cm 3). </li><li> Collegare il tubo di PTFE al canale ad una estremità e l&#39;altra estremità ad una siringa di vetro da 1 ml. Riempire la siringa di vetro con 0,5 ml di acqua deionizzata. Nota: ben aderente fatta selezionando il formato pugno destro permetterà di evitare perdite in tubi. </li><li> Mettere l&#39;acqua DI riempita siringa sul pompa a siringa controllati dal computer. Spingere l&#39;acqua (5-20 ml / min) nel canale di riempire l&#39;intero canale di fluido fino al serbatoio. </li><li> Carico 10 ml di soluzione tallone equilibrata al serbatoio ed introdurre la soluzione tallone al micro-channel cambiando la direzione di flusso della pompa a siringa. </li><li> Accendere l&#39;RTD polarizzando 1 mA di corrente continua attraverso il computer controllato source / metro mentre si misura la resistenza da source / metro e classificare i dati misurati (figura 2). Nota: Durante l&#39;esperimento, il sensore è polarizzato; Pertanto, la temperatura viene misurata in continuo fino alla fine dell&#39;esperimento conteggio. Il sensore RTD è elettricamente polarizzato applicando una corrente continua nel campo da 100 mA a 1 mA per misurare continuamente la temperatura fino alla fine dell&#39;esperimento conteggio. È fondamentale per selezionare il livello esatta poiché non vi è un compromesso tra il livello di rumore e l&#39;ampiezza del segnale rilevato. La pompa a siringa viene usato per generare il flusso di micro-channel. Selezionando una portata appropriata per eseguire l&#39;esperimento TPD è limitata alla velocità della misurazione. Questa velocità è una funzione della costante di tempo termica del dispositivo e velocità di misura elettrica. I risultati dell&#39;esperimento rivelazione di particelle termica sono mostrati in Figura 3. </li><li> Utilizzare il software di elaborazione dei dati sviluppato (LabVIEW) per convertire i dati di resistenza misurati temperatura mediante l&#39;equazione di Callendar-Van Dusen 6. </li></ol> 2. termicaCaratterizzazione di sostanze liquide Utilizzando un Micro-calorimetro <ol><li> In questo processo, utilizzare il dispositivo on-chip calorimetro (Figura 4A) 3 per misurare la diffusività termica e il calore specifico dei campioni. Nota: In ogni dado, ci sono 2 camere micro-calorimetrici (Figura 4B). Ogni camera dispone di 2 ingressi ed una uscita. E ogni camera ha una stufa e un sensore RTD integrato. </li><li> Posizionare il dispositivo di micro-calorimetro sul dispositivo supporto (Figura 4C). Allineare il dispositivo alle prese microfluidica e le uscite con i raccordi supporto. Posizionare lo strato di tenuta PDMS sulla parte superiore del dispositivo. </li><li> Installare i perni di collegamento elettrico del dispositivo supporto e bloccare le viti del supporto. Nota: Assicurarsi che i perni Pogo regolabili in altezza sono in linea con le pastiglie di contatto elettrico. </li><li> Installare lo strato di interfaccia microfluidica con fermi magnetici al dispositivo titolare (Figura 4D). Collegare il PTFE Tubi a entrambi gli ingressi e l&#39;uscita. Collegare un ingresso alla pompa a siringa campione caricato e chiudere l&#39;altra, come entalpia non è misurato in questo caso. </li><li> Utilizzare un programma controllato dal computer sviluppato per caricare il campione nel micro-canali e camere. Nota: il programma utilizzerà il flusso ha interrotto per rilasciare una pressione eccessiva sulla camera sospeso a film sottile. <ol><li> Caricare il campione 300 microlitri nella siringa vetro e posizionarlo sulla pompa a siringa. Usa (0,25 ml / min) le portate costanti molto lenta per campioni ad alta viscosità (ad esempio, glicerolo e liquidi ionici). Utilizzare un campione di glicerolo per misure di diffusività termica e liquidi ionici per specifiche misure di calore. </li></ol></li><li> Misure <ol><li> Misure diffusività termica <ol><li> Collegare la configurazione misurazioni come mostrato in Figura 5A. Caricare il campione glicerolo alla camera micro-calorimetro. Eseguire il programma di computer controllato modificato per hea<html> t penetrazione misurazione del tempo. </li><li> Usare l&#39;equazione penetrazione del calore calibrato per calcolare diffusività termica dal momento in penetrazione del calore misurato 7: <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> dove α è diffusività termica, L è lo spessore della camera, p è il fattore di calibrazione spessore a causa di variazioni di processo di fabbricazione, e t 0 è il tempo di penetrazione di calore. </li></ol></li><li> Misure di calore specifico <ol><li> Utilizzare il sistema di misura TWA come mostrato in Figura 5B. Utilizzare lo stesso programma di caricamento dei campioni e caricare il liquido ionico nella camera. Eseguire il programma TWA per ottenere l&#39;ampiezza delle fluttuazioni di temperatura AC (∂ T AC) e utilizzare l&#39;equazione del calore specifico per calcolare la specifica, c p, calore per ogni campione liquido ionico 8: 28eq2.jpg &quot;width =&quot; 117 &quot;/&gt; dove C 0 viene immesso fattore di calibrazione di potenza, in P è la potenza di ingresso, ω è la frequenza del segnale di attivazione, ed m è la massa del campione liquido. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. calorimetrico biochimica rilevamento in base Paper dispositivo a microfluidi <ol><li> Utilizzare microfabbricazione sensore RTD a film sottile (40-50 nm nichel). Fasi di fabbricazione per il sensore di RTD sono spiegati in lavori precedenti 4. </li><li> Per cartaceo canali fabbricazione 4, utilizzare un plotter coltello per tagliare la carta canali microfluidica con un modello progettato (L-forma). Posizionare la carta sulla parte superiore del tappeto di taglio, caricare la carta e il tappetino di taglio al plotter coltello, e usare la ricetta appropriata per tagliare i canali microfluidici carta 4. </li><li> Per il dispositivo e il canale di integrazione, utilizzare uno strato adesivo acrilico (5 micron) per integrare la carta sul sensore RTD. Utilizzare un b pulitolade per spingere la carta al dispositivo e rimuovere le bolle d&#39;aria (Figura 6A). Il film acrilico è uno strato adesivo per tenere il foglio sensore RTD. </li><li> Per l&#39;attivazione di enzimi, utilizzare 50 mM tampone di acetato di sodio per attivare l&#39;enzima GOD. Aggiungere 1 mg di enzima GOD a 1 ml di tampone di acetato di sodio per rendere la soluzione 1 mg / ml. Regolare il pH della soluzione a 5,1. Nota: regolare la quantità di acido acetico in tampone acetato di sodio per mantenere il pH della soluzione 5.1. </li><li> Bias il RTD con 1 mA di corrente continua per attivare la RST e iniziare a misurare la fonte di resistenza / metro continuamente mentre la resistenza si assesta dopo l&#39;esperimento (~ 4 min). Nota: La Figura 6B mostra la configurazione di misurazione per la prova calorimetrica cartaceo. </li><li> Introdurre 2 ml di soluzione GOD preparata al centro del foglio micro-channel (sito immobilizzazione) tramite pipetta. La temperatura rilevata (Figura 7A) deve iniziare to diminuire. Nota: Questo effetto di raffreddamento è dovuto alla maggiore temperatura funzionamento della RST e l&#39;evaporazione del campione insieme. </li><li> Per misurare la concentrazione di glucosio, introdurre soluzione di controllo del glucosio standard da 9 al canale di ingresso e misurare la variazione di resistenza causata dalla reazione. Ripetere questo esperimento con tutti i diversi soluzioni di controllo del glucosio (alta, normale e bassa concentrazione) e salvare i dati di resistenza. </li><li> Usando il coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) di RST nichel e equazione Callendar-Van Dusen, convertire la variazione di resistenza alla temperatura. Calcolare la concentrazione di glucosio in ogni campione considerando l&#39;entalpia di reazione del glucosio e l&#39;enzima GOD (Δ H = -80 kJ / mole) e utilizzando l&#39;equazione concentrazione 10: <img alt="Equazione 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> in cui viene rilevato n p concentrazione molare, C <sub&gt; P è la capacità termica del sistema e DT viene calcolata 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>

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

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...

Tre differenti tecniche di misura termiche micro-scala sono presentati in questo articolo. Le tre diverse configurazioni di dispositivi microfluidici sono utilizzati per la rilevazione termica delle particelle (TPD), caratterizzazione termica (conducibilità termica e calore specifico), e la rilevazione calorimetrico di reazioni chimiche e interazioni. Rilevazione particelle termica Rilevazione ed il conteggio di particelle in dispositivi microfluidici è ampiamente usato per applicazioni ambientali, industriali e biologici 1. TPD è una delle nuove applicazioni delle misure termiche in dispositivi microfluidici 2. Utilizzando il trasferimento di calore per rilevazione ed il conteggio di particelle in base alla dimensione delle particelle riduce la complessità, il costo e le dimensioni del sistema. In altri metodi, ottiche complesse o misure elettriche complessi e avanzati software di elaborazione del segnale sono utilizzati per rilevare le particelle. Chara termicacterization di sostanze liquide Utilizzando Micro-calorimetro Caratterizzazione termica campione liquido è la seconda applicazione della misurazione termica in dispositivi microfluidici. Esecuzione di calorimetria micro-scala ridurrà il consumo di campione e aumentare la precisione, offrendo maggiore ripetibilità rispetto ai tradizionali metodi calorimetria rinfusa. Le procedure per la conducibilità termica e la misurazione calore specifico utilizzando il dispositivo on-chip micro-calorimetro sono presentati altrove 3. I dettagli della tecnica tempo di penetrazione di calore per la misura della conducibilità termica e l&#39;analisi dell&#39;onda termica (TWA) per specifiche misure di calore in dispositivi microfluidici sono descritti nella sezione del protocollo. Calorimetrico Bio-chimica di rilevamento in cartaceo dispositivo a microfluidi Un&#39;altra applicazione di misura termico è la diagnosi biochimica in microfluidica cartacei. L&#39;azione capillare instruttura porosa di carta porta il liquido ed evita problemi bolla iniziazione a micro-canali. I meccanismi di rilevazione più comuni in dispositivi microfluidici cartacei sono tecniche ottici o elettrochimici. Rilevamento ottico soffre di elevata complessità e la necessità di software avanzato di elaborazione delle immagini per quantizzare il segnale rilevato. Rilevazioni elettrochimiche sono limitati perché possono essere applicati solo a reazioni che producono sottoprodotti attivi. Il calorimetrica cartaceo piattaforma sensore biochimico recentemente introdotto 4 sfrutta il sistema di microfluidica cartaceo e il meccanismo di rilevamento termico senza etichetta. Le procedure di rilevazione calorimetrica di glucosio utilizzando glucosio ossidasi (GOD), enzima in una piattaforma microfluidica cartaceo sono presentati nella sezione del protocollo. L&#39;obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare le capacità tecniche di misura termici nei dispositivi microfluidici. Il preparatio dispositivon, campione liquido rivelatore maneggevolezza e resistenza alla temperatura (RTD) Sensore di eccitazione e la misurazione sono presentate nei prossimi paragrafi.

<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 mostra l&#39;andamento del segnale termico misurata. I segnali generati in presenza delle perline con immagini ottiche corrispondenti mostrano la rilevazione successo delle perline microsfere PS nel micro-channel. La conducibilità termica del liquido passante attraverso il micro-channel cambia a causa della presenza di PS perline. Questo cambiamento nella conduttività termica del canale colpisce il trasferimento di calore nel micro-channel. La variazione di trasferimento di calore nel micr...

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Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

Tecniche di misurazione termali in Analytical dispositivi microfluidici

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 Views.  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.

Caratterizzazione dei Trasporti termali in materiali solidi monodimensionali

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

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The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

La preparazione di Electrohydrodynamic Ponti da Polar dielettrici liquidi

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

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.

Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria

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.

Bonding solvente per la fabbricazione di PMMA e COP dispositivi microfluidici

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.

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.

Misura di distribuzione di sforzo micro / nano-scala da campionature Moiré Fringes

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

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

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

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

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

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

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.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

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.

Sviluppo del metodo per studi spettroscopici distesina di cavità senza contatto della carta cellulosica

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.

Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica

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 Misurazione della Temperatura della Superficie in un Forno a nastro Trasportatore tramite Termografia a infrarossi in linea

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