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>

<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>

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 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.

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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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.

一次元固体材料の熱輸送のキャラクタリゼーション

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

工学

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.

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

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.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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.

PMMAおよびCOPマイクロ流体デバイスの作製のための溶剤接着

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.

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

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.

サイズ制御されたポリ (エチレング リコール) レート液滴を介して半 3 次元流れ焦点マイクロ流体デバイスの生成

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.

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

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.

セルロース系紙の非接触共振キャビティ誘電分光研究の方法開発

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.

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

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.

インライン赤外線サーモグラフィーによるコンベアベルト炉におけるその後の表面温度測定

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

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

要約

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一次元固体材料の熱輸送のキャラクタリゼーション

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

PMMAおよびCOPマイクロ流体デバイスの作製のための溶剤接着

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

サイズ制御されたポリ (エチレングリコール) レート液滴を介して半 3 次元流れ焦点マイクロ流体デバイスの生成

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

セルロース系紙の非接触共振キャビティ誘電分光研究の方法開発

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

インライン赤外線サーモグラフィーによるコンベアベルト炉におけるその後の表面温度測定

分析マイクロ流体デバイスの熱測定技術

要約

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一次元固体材料の熱輸送のキャラクタリゼーション

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

PMMAおよびCOPマイクロ流体デバイスの作製のための溶剤接着

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

サイズ制御されたポリ (エチレング リコール) レート液滴を介して半 3 次元流れ焦点マイクロ流体デバイスの生成

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

セルロース系紙の非接触共振キャビティ誘電分光研究の方法開発

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

インライン赤外線サーモグラフィーによるコンベアベルト炉におけるその後の表面温度測定

サイズ制御されたポリ (エチレングリコール) レート液滴を介して半 3 次元流れ焦点マイクロ流体デバイスの生成

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定