この仕事のための部分的な財政支援はウィスコンシン州ミルウォーキー（IIP-0968887）の大学とマルケット大学（IIP-0968844）に位置する給水用機器＆政策に関する産業/大学共同研究センターを通じて、米国国立科学財団によって提供されました。私たちは役に立つ議論のためにグレン·M.ウォーカー、ウー·ジン·チャンとシャンカルラダクリシュナンに感謝します。

1.熱粒子検出（TPD） <ol><li>標準的な半導体加工技術2を用いて、微細加工によって薄膜シリコン窒化膜と内蔵温度センサを微細加工シリコンデバイスを準備します。脱イオン（DI）水で製造されたデバイスをすすぎます。 注意：熱粒子検出器、マイクロ流体デバイスの製造方法は、従来文献2に説明されます。 </li><li>マイクロチャネルを有するポリジメチルシロキサン（PDMS）基板を製造するために、5を処理する標準的なリソグラフィを用いて、SU8型を作成します。 注：チャネルサイズは、各特定の粒子の大きさのために設計されています。 <ol><li> 1塩基の割合（30ミリリットル）と硬化剤（3ミリリットル）：10を混合することによりPDMSを行います。金型へのPDMSを注いで簡単に真空（5〜10分間）に曝露することにより気泡を除去。 注：真空レベルは、脱ガスの臨界値ではなく、それはガスbubbまで継続すべきですレは、完全に混合PDMSから削除されます。 </li><li> PDMSを硬化させるために2時間ホットプレート（〜70℃）での金型を置きます。金型を傷つけないように続いて非常に慎重にPDMSを剥がします。 注：真空レベルが臨界値ではありません。 </li></ol></li><li>マニュアルパンチを使用して、一方の端部にPTFE管用タイト穴（1 mm）をパンチ。 PDMSリザーバを作るためにもう一方の端に大きなパンチ（2 mm）を使用してください。顕微鏡下でのデバイスの上にパンチマイクロ流路を配置し、マイクロ流路（ 図1A）の中心でRTDを揃えます。 </li><li>電気的インターフェースでは、コンタクトパッド位置で電気ピンを接続し、固定ネジを締めます。高さ調節可能なピン（ポゴピン）は、デバイス上の正しい電極パッドに座っていることを確認します。 </li><li> 1.5mlチューブに脱イオン水100μlに集中PSビーズを10μl希釈します。 </li><li> （グリセロールの2.7μlを添加、1.26をビーズが中性浮力ままPSを確保するために、グラム/ cm 3）を脱イオン水に、ポリスチレン（PS）ビーズの密度に流体密度（一致1.05グラム/ cm 3で）。 </li><li>一方の端部でのチャネルと1ミリリットルのガラスシリンジに他端にPTFEチューブを接続します。 DI水0.5mlでガラスシリンジを埋めます。 注：右のパンチサイズを選択することによって作られたタイトフィットがチューブに漏れが回避されます。 </li><li>コンピュータ制御のシリンジポンプにDI水充填された注射器を置きます。流体をリザーバにすべての方法を、チャネル全体を埋めるために、チャネル内に水（5〜20μL/ min）を押します。 </li><li>負荷10のリザーバにバランスのとれたビーズ溶液のマイクロリットルシリンジポンプに流れ方向を変化させることによって、マイクロチャネルにビーズ溶液を導入します。 </li><li>ソース/メーターで抵抗を測定し、（ 図2）は、測定データをソートしながら、コンピュータ制御のソース/メーターを介して直流電流1mAのバイアスをかけることによって、RTDをオンにします。 注：実験の間、センサはバイアスされ;従って、温度を連続的に計数実験終了まで測定されます。 RTDセンサは、電気的に連続して計数実験の終了時まで温度を測定するために100μAから1ミリアンペアの範囲で直流電流を印加することによってバイアスされます。ノイズレベルと検出信号の振幅との間のトレードオフが存在するので、それは適切な電流レベルを選択することが重要です。シリンジポンプは、マイクロチャネル内の流れを生成するために使用されます。 TPD実験を実行するための適切な流量を選択すると、測定の速度に制限されます。この速度は、デバイスと電気測定速度の熱時定数の関数です。熱粒子検出実験の結果を図3に示します。 </li><li>カレンダー-ヴァンドゥーゼン式6を使用して、温度に測定された抵抗データを変換するために開発されたデータ処理ソフトウェア（LabVIEWの）を使用します。 </li></ol> 2.熱マイクロ熱量計を用いた液体物質のキャラクタリゼーション<ol><li>このプロセスでは、熱拡散率と試料の比熱を測定するためのオンチップ熱量計装置（ 図4A）3 を使用します。 注：各ダイ上に、2マイクロ熱量計室（ 図4B）があります。各チャンバーは2入口と一つの出口を有しています。また、各チャンバーはヒーターとRTDセンサー統合を持っています。 </li><li>デバイスホルダー（ 図4C）上のマイクロ熱量計装置を配置します。ホルダーの金具を使用し、マイクロ流体入口と出口にデバイスを合わせます。デバイスの上にPDMSシール層を配置します。 </li><li>デバイスホルダーに電気的接続ピンを取り付け、ホルダーのネジをロックします。 注：高さ調節可能なポゴ·ピンが電気接触パッドと整列していることを確認してください。 </li><li>デバイスホルダー（ 図4D）に磁気ラッチ付きマイクロ流体界面層をインストールします。 PTを接続しますFEは、入口と出口の両方にチューブ。エンタルピーは、この場合には測定されないように、サンプルを装填し、シリンジポンプに一つの入口を接続し、もう一方を閉じます。 </li><li>マイクロチャネルおよびチャンバにサンプルをロードするために開発されたコンピュータ制御プログラムを使用します。 注：このプログラムは、薄膜懸濁室に過度の力を解放するために中止フローを使用します。 <ol><li>ガラスシリンジに300μlのサンプルをロードし、シリンジポンプの上に置きます。高粘度のサンプル（ 例えば 、グリセロールおよびイオン性液体）のための非常に遅い（0.25μL/分）は、一定の流量を使用してください。比熱測定のための熱拡散率の測定とイオン液体のためのグリセロールサンプルを使用してください。 </li></ol></li><li>測定結果<ol><li>熱拡散率の測定<ol><li> 図5（a）に示すように、測定のセットアップを接続します。マイクロ熱量計チャンバにグリセロールサンプルをロードします。ょんのための修正されたコンピュータ制御プログラムを実行します。<html> T浸透時間測定。 </li><li>測定された熱浸透時間7から熱拡散率を計算するために較正された熱浸透式を使用します。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> αは熱拡散率であり、Lは、チャンバの厚さであり、pは、製造プロセスの変動に起因する厚さの較正係数であり、t 0は、熱浸透時間です。 </li></ol></li><li>比熱測定<ol><li> 図5（b）に示すように、TWA測定のセットアップを使用してください。同じサンプルローディングプログラムを使用して、チャンバ内のイオン性液体をロードします。 AC温度変動の振幅（∂T AC）を取得し、特定の、C pを計算するために、特定の熱方程式を使用し、各イオン性液体試料8のための熱するTWAプログラムを実行します。 28eq2.jpg &quot;幅=&quot; 117 &quot;/&gt; C 0は、入力電力較正係数であり、入力電力であるP で 、ωは、駆動信号の周波数であり、mは、液体試料の質量です。 </li></ol></li></ol></li></ol>紙ベースのマイクロ流体デバイス内の3熱量生化学的検出<ol><li>微細加工、薄膜（40〜50 nmのニッケル）RTDセンサを使用してください。 RTDセンサーの製造工程は、前の作品4で説明されています。 </li><li>紙ベースのチャネルの製作4の場合は、紙に設計されたパターン（L字型）とマイクロ流体チャネルを切断するためにナイフプロッタを使用しています。カッティングマットの上に紙を置き、ナイフプロッタに紙やカッティングマットをロードし、マイクロ流体紙チャンネル4を切断するための適切なレシピを使用します。 </li><li>デバイスとチャネルの統合については、RTDセンサ上に紙を統合するために、アクリル系粘着剤層（5μm）を使用します。きれいなBを使用してくださいデバイスに紙をプッシュして（ 図6A）の気泡を除去するために、クレード。アクリルフィルムは、RTDセンサーの上に紙を保持するための接着剤層です。 </li><li>酵素活性化のために、GOD酵素を活性化するために、50mMの酢酸ナトリウム緩衝液を使用します。 1mg / mlの溶液を作製するための酢酸ナトリウム緩衝液1mlにGOD酵素1mgを加えます。 5.1に溶液のpHを調整します。 注：溶液を5.1のpHを維持するために、酢酸ナトリウム緩衝液中の酢酸の量を調整します。 </li><li>直流電流1mAのとバイアスRTD RTDを活性化し、抵抗は実験（〜4分）の後に落ち着くながら連続的に抵抗ソース/メーターの測定を開始します。 注： 図6Bは、紙ベースの比色試験のための測定のセットアップを示しています。 </li><li>ピペットを介して、紙、マイクロチャンネル（固定化部位）の中心に準備されたGOD溶液2μLをご紹介します。検出された温度（ 図7A）は、Tを起動する必要がありますO減少。 注：この冷却効果は、RTDと一緒にサンプルの蒸発の高い動作温度に起因するものです。 </li><li>グルコース濃度を測定するために、チャネルの入口に標準血糖コントロール液9を導入し、反応による抵抗変化を測定します。すべての異なる血糖コントロールソリューション（高、標準および低濃度）で、この実験を繰り返し、抵抗データを保存します。 </li><li>ニッケルRTD及びカレンダー·ヴァンドゥーゼン方程式の抵抗の温度係数（TCR）を使用して、温度に対する抵抗の変化に変換します。グルコースの反応エンタルピーとGOD酵素（ΔH = -80 kJの/モル）を考慮し、濃度の式10を用いて、各試料中のグルコースの濃度を計算します。 <img alt="式3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> N pはモル濃度、Cが検出された場合<sub&gt; P系の熱容量であり、ΔTは、計算された温度です。 </li></ol>

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	<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>

利害の衝突は宣言されていません。

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...

三つの異なるマイクロスケールの熱測定技術は、この資料に示されています。マイクロ流体デバイスの三つの異なる構成は、熱粒子検出（TPD）、熱特性（熱伝導率および比熱）と、化学反応との相互作用の比色検出のために使用されます。 熱粒子検出マイクロ流体デバイス中の粒子を検出し、カウントが広く、環境、産業、および生物学的用途1に使用されます。 TPDは、マイクロ流体デバイス2の熱測定の新たなアプリケーションの1つです。粒子サイズに基づいて粒子を検出および計数するための熱伝達を使用すると、システムの複雑さ、コスト、およびサイズ​​を減少させます。他の方法では、複雑な光学部品や複雑な電気的測定及び高度な信号処理ソフトウェアは、粒子を検出するために使用されます。 熱キャラマイクロカロリメータを用いた液体物質のcterization 液体試料熱特性は、マイクロ流体デバイス内の熱測定の第二のアプリケーションです。マイクロスケールの熱量測定を実行すること、サンプル消費量を低減し、従来のバルク熱量測定法と比較してより高い再現性を提供することにより、精度を増加させます。オンチップマイクロ熱量計装置を用いて熱伝導率および比熱を測定するための手順は、他の場所3に提示されています。熱伝導率測定のための熱の浸透時間の技術とマイクロ流体デバイスにおける比熱測定用の熱波解析（TWA）の詳細については、プロトコルの項に記載されています。 紙ベースのマイクロ流体デバイスにおける比色バイオケミカル検出熱測定の別の用途は、紙ベースのマイクロ流体工学における生化学的検出です。での毛管作用紙の多孔質構造は、液体を搬送し、マイクロチャネル内の気泡の開始の問題を回避します。紙ベースのマイクロ流体デバイスの中で最も一般的な検出機構は、光学的又は電気化学的技術です。光学的検出は非常に複雑に悩まさ、高度な画像処理ソフトウェアの必要性が検出された信号を量子化します。それらは唯一の活性副生成物を生成する反応に適用することができるので、電気化学的検出も限られています。最近導入された比色紙ベースの生化学センサープラットフォーム4は、紙ベースのマイクロ流体システムおよびラベルフリー熱検出機構を利用しています。紙ベースのマイクロ流体プラットフォームでグルコースオキシダーゼ（GOD）酵素を用いたグルコースの比色検出の手順は、プロトコルセクションに示されています。 本稿の目的は、マイクロ流体デバイスの熱測定技術の能力を実証することです。デバイスpreparationは、液体試料取り扱いおよび抵抗温度検出器（RTD）センサ励起及び測定は、次のセクションに示されています。

<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.

図3は、測定された熱信号のプロットを示します。対応する光学画像とビーズの存在下で生成した信号は、マイクロチャネル内の微小球PSビーズの検出に成功を示します。マイクロ流路を通過する液体の熱伝導率は、PSビーズの存在による変化しています。チャネルの熱伝導率の変化は、マイクロチャネル内の熱伝達に影響を及ぼしています。マイクロチャネル内の熱伝達の変化?...

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Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

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

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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

平行平板導波センサを用いたテラヘルツマイクロ流体センシング

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

工学

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.

マイクロ流体液滴のプラットフォームのための蛍光検出法

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

生物工学

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.

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

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.

ハイスループットマイクロ流体の迅速かつ低コストのプロトタイピング包装方法

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.

光温度計の作製と試験

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

化学

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.

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

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.

管内の単相およびフロー ローカル瞬時対流熱伝達の測定

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.

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

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.

安定した濃度勾配で細菌走化性を定量化するためのマイクロ流体デバイス

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

生物学

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.

ビュー ポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ

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 ...

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

要約

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平行平板導波センサを用いたテラヘルツマイクロ流体センシング

マイクロ流体液滴のプラットフォームのための蛍光検出法

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

ハイスループットマイクロ流体の迅速かつ低コストのプロトタイピング包装方法

光温度計の作製と試験

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

管内の単相およびフローローカル瞬時対流熱伝達の測定

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

安定した濃度勾配で細菌走化性を定量化するためのマイクロ流体デバイス

ビューポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

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平行平板導波センサを用いたテラヘルツマイクロ流体センシング

マイクロ流体液滴のプラットフォームのための蛍光検出法

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

ハイスループットマイクロ流体の迅速かつ低コストのプロトタイピング包装方法

光温度計の作製と試験

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

管内の単相およびフロー ローカル瞬時対流熱伝達の測定

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

安定した濃度勾配で細菌走化性を定量化するためのマイクロ流体デバイス

ビュー ポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ

管内の単相およびフローローカル瞬時対流熱伝達の測定

ビューポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ