분석 미세 유체 장치의 열 측정 기술

요약

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

초록

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.

서문

세 가지 다른 마이크로 크기의 열 측정 기술은이 문서에 제시되어있다. 미세 유체 장치의 세 가지 상이한 구성은 열 입자 검출부 (TPD), 열적 특성 (열전도율 및 비열), 및 화학 반응과 상호 작용 열량 검출에 사용된다.

열 입자 검출

검출 및 미세 유체 장치에서 입자를 계산하는 것은 널리, 환경 산업, 생물 응용 프로그램 ^(1)에 사용됩니다. TPD는 미세 유체 장치 ² 열 측정의 새로운 응용 프로그램 중 하나입니다. 검출 및 입자 크기에 기초하여 입자를 계수 열 전달을 사용하여 시스템의 복잡성, 비용 및 크기를 감소시킨다. 다른 방법, 복잡한 광학 또는 복잡한 전기 측정 및 고급 신호 처리 소프트웨어에서 입자를 검출하기 위해 사용된다.

열 체인지마이크로 열량계를 사용하여 액체 물질의 cterization

액체 시료의 열 특성은 미세 유체 장치의 열 측정의 두 번째 응용 프로그램입니다. 마이크로 스케일 열량을 수행하면 샘플 소모를 줄이고, 종래의 벌크 열량 방법에 비해 더 높은 반복성을 제공하여 정확도를 증가시킬 것이다. 온 - 칩 마이크로 - 열량계 장치를 이용하여 열전도율 및 비열 측정을위한 절차는 다른 ^세 제시된다. 열전도율 측정 용 히트 침투 시간 기술 및 마이크로 유체 디바이스들에서 비열 측정을위한 열 파 분석 (TWA)의 세부 사항은 프로토콜 절에서 설명된다.

열량 바이오 화학에있는 검색, 탐지 종이 기반 미세 유체 소자

열 측정의 또 다른 응용 프로그램은 종이 기반 미세 유체에서 생화학 감지입니다. 에서 모세관 작용종이의 다공질 구조가 액체를 운반 마이크로 채널 거품 개시 문제를 피할 수있다. 종이 기반의 미세 유체 소자에서 가장 일반적인 검출 메커니즘은 광학 또는 전기 화학적 기술이다. 광 검출은 높은 복잡성 앓고 고급 화상 처리 소프트웨어의 필요성이 검출 된 신호를 양자화하는. 이들은 활성 반응 부산물을 생산에 적용 할 수 있기 때문에, 전기 화학 탐지가 또한 제한된다. 최근 소개 열량 종이 기반 생화학 센서 플랫폼 ^(4)은 종이 기반 마이크로 유체 시스템 및 라벨없는 열 감지 메커니즘을 이용한다. 종이 기반의 미세 유체 플랫폼에 글루코스 옥시 다제 (GOD) 효소를 이용한 글루코스의 열량 검출 절차는 프로토콜 부분에 제시되어있다.

본 연구의 목적은 미세 유체 소자에서 열 측정 기술의 능력을 입증하는 것이다. 장치 혼합물 준비N, 액체 시료 처리 및 저항 온도 감지기 (RTD) 센서 여기 및 측정은 다음 절에 제시되어있다.

프로토콜

1. 열 입자 감지 (TPD)

1. 표준 반도체 공정 ^기술을 이용하여 ^2, 마이크로 머신에 의한 박막 실리콘 질화물 막, 및 온도 센서가 내장 마이크로 제조 실리콘 장치를 준비한다. 탈 (DI) 물 제조 장치를 씻어.
   주 : 열 입자 탐지기를위한 미세 유체 소자의 제조 방법은 선행 문헌 ^2에 설명되어있다.
2. 마이크로 채널이 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 기판을 제조, ^(5)를 처리 표준 리소그래피를 이용한 몰드를 만들 SU8.
   참고 : 채널 크기는 각각의 특정 입자의 차원을 위해 설계되었습니다.
   1. 염기의 1 비율 (30 mL) 및 제 (3 ml)에 경화 : 10 혼합하여 PDMS합니다. 금형에 PDMS를 붓고 잠시 진공 (5 ~ 10 분)에 노출하여 거품을 제거합니다.
      진공 탈기 레벨에 임계 값이 아니며 가스 bubb까지 계속한다 : 참고레 완전히 혼합 된 PDMS에서 제거됩니다.
   2. PDMS를 치료하기 위해 2 시간 동안 열판 (~ 70 ° C)에 금형을 놓습니다. 금형 손상되지 않도록 매우 조심스럽게이어서 PDMS 벗겨져.
      주 : 진공 레벨이 임계 값이 아니다.
3. 수동 펀치를 사용하여, 일단 PTFE 관용 단단한 구멍 (1 mm)를 펀치. PDMS 저수지를 만들기 위해 다른 쪽 끝에서 큰 펀치 (2mm)를 사용합니다. 현미경 장치 위에 펀칭 미세 통로를 배치하고, 마이크로 채널 (도 1a)의 중심에 정렬 RTD.
4. 전기 인터페이스에있어서, 콘택 패드의 위치에서의 전기 핀을 연결하고 잠금 나사를 조여. 높이 조절 핀 (포고 핀) 장치의 올바른 전극 패드에 앉아 있는지 확인하십시오.
5. 1.5 ㎖의 튜브에 DI 물 100 ㎕의 농축 PS 비드의 10 μl를 희석.
6. (글리세롤의 2.7 μl를 추가, 1.26 구슬이 중성 부력을 유지 PS를 보장하기 위해g / cm ³⁾ DI 물에 폴리스티렌 (PS) 비드 밀도 유체 밀도 (일치 1.05 g / cm ^3).
7. 일단 채널 및 1 mL 유리 주사기 타단에 PTFE 튜브를 연결한다. DI 물 0.5 mL를 유리 주사기를 입력합니다.
   참고 : 튜브의 누설을 방지 할 수있는 권리 펀치 크기를 선택하여 만든 단단한 피팅.
8. 컴퓨터 제어 주사기 펌프에 주사기를 가득 탈 이온수를 놓습니다. 유체 저장조 줄곧 전체 채널을 채우기 위해 채널에 물 (5-20 μL / 분)를 누른다.
9. 저장조에 평형 비드 용액 10 ㎕를 부하하고 주사기 펌프에 흐름 방향을 변화시켜 마이크로 채널에 비드 용액을 소개한다.
10. (그림 2) 원 / m로 저항을 측정하는 동안 컴퓨터 제어 소스 / 미터를 통해 직류 전류 1mA 바이어스하고 측정 된 데이터를 정렬하여 RTD를 켭니다.
    주 : 실험 기간 동안, 센서 바이어스; 따라서, 온도를 연속적으로 카운팅 실험이 끝날 때까지 측정한다. RTD 센서가 전기적으로 연속적으로 카운팅 실험이 끝날 때까지의 온도를 측정하기 위해 100 μA에서 1mA의 범위 DC 전류를인가함으로써 바이어스된다. 이는 잡음 레벨과 검출 신호 진폭 간의 트레이드 오프가 존재하기 때문에 정확한 전류 레벨을 선택하는 것이 중요하다. 주사기 펌프는 마이크로 채널의 플로우를 생성하기 위해 사용된다. TPD 실험을 수행 할 수있는 적절한 유량을 선택하면 측정 속도로 제한된다. 이 속도는 전기 장치 및 측정 속도의 열 시상수의 함수이다. 열 입자 검출 실험 결과를도 3에 나타낸다.
11. Callendar-van Dusen 방정식 ^(6)을 이용하여 온도 측정 저항의 데이터를 변환하기 위해 개발 된 데이터 처리 소프트웨어 (LabVIEW를) 사용.

열 (2)마이크로 열량계를 사용하여 액체 물질의 특성

1. 이 과정에서, 열 확산율 및 샘플의 비열을 측정하는 온 - 칩 열량계 장치 (도 4a) ^(3)를 사용한다.
   참고 : 각 죽을에서 2 마이크로 열량계 챔버 (도 4b는)이있다. 각 챔버는 2 입구와 하나의 출구가 있습니다. 그리고 각 챔버는 히터와 통합 RTD 센서를 가지고 있습니다.
2. 장치 홀더 (그림 4C)에 마이크로 열량계 장치를 놓습니다. 홀더 피팅 미세 유체 입구 및 출구에 장치를 맞 춥니 다. 장치의 상단에있는 PDMS 도장 층을 놓습니다.
3. 장치 홀더에 전기 연결 핀을 설치하고 홀더 나사를 잠급니다.
   참고 : 높이 조절 포고 핀은 전기 접촉 패드와 정렬되어 있는지 확인합니다.
4. 장치 홀더 (그림 4D)에 자기 래치와 미세 유체 인터페이스 층을 설치합니다. PT를 연결합니다FE는 입구와 출구 모두 튜브. 샘플 로딩 주사기 펌프에 하나의 입구를 연결 엔탈피이 경우 측정되지 않는 한, 다른 하나를 닫는다.
5. 마이크로 채널 및 챔버로 샘플을로드하기 위해 개발 된 컴퓨터 제어 프로그램을 사용하십시오.
   참고 :이 프로그램은 박막 중단 챔버에 과도한 압력을 해제 중단 흐름을 사용합니다.
   1. 유리 주사기로 300 μL 샘플을로드하고 주사기 펌프에 놓습니다. 점도가 높은 샘플 (예를 들어, 글리세롤 및 이온 성 액체)에 대한 매우 느린 (0.25 μL / 분) 일정한 유량을 사용합니다. 비열 측정을위한 열 확산율 측정 및 이온 성 액체 글리세린 샘플을 사용합니다.
6. 측정
   1. 열 확산율 측정
      1. 도 5a에 도시 된 바와 같이, 측정 설정을 연결합니다. 마이크로 열량계 챔버로 글리세롤 샘플을로드합니다. 난방을위한 수정 된 컴퓨터 제어 프로그램을 실행 T 침투 시간 측정.
      2. 측정 된 열 침투 시간 ^7에서 열 확산을 계산하는 보정 열 침투 방정식을 사용하여
         
         α는 열확산이고, L은 실의 두께가 (P)으로 인해 제조 공정 변화에 두께 보정 인자이고, _{t는 0} 열 침투 시간이다.
   2. 비열 측정
      1. 도 5b에 도시 된 바와 같이 TWA 측정 설정을 사용한다. 동일한 샘플 로딩 프로그램을 사용하여 챔버 내에서 이온 성 액체를 넣습니다. AC 온도 변동 (∂ T _AC)의 진폭을 얻을 수있는 TWA 프로그램을 실행하고 계산하는 비열 식을 사용하는 특정, C _P는, 각각의 이온 성 액체 샘플 ⁸ 열 :
         28eq2.jpg "폭 ="117 "/>
         C ₀ 입력 파워 교정 인자이고, 입력 힘 _P에서, ω는 구동 신호의 주파수이고, m은 액체 시료의 질량이다.

종이 기반 미세 유체 소자 3. 열량 생화학 감지

1. 미세 박막 (40 ~ 50 nm의 니켈) RTD 센서를 사용합니다. RTD 센서의 제조 단계 이전 작품 ^4에 설명되어 있습니다.
2. 종이 기반의 채널 제조 ^4, 용지를 디자인 패턴 (L 자형)과 미세 유체 채널을 절단 칼 플로터를 사용합니다. , 커팅 매트 위에 종이를 놓고 종이와 칼 플로터 커팅 매트를로드하고, 미세 유체 종이 채널 ^4를 잘라 적절한 조리법을 사용합니다.
3. 장치 및 채널 통합, RTD 센서에 용지를 통합하는 아크릴계 점착제 층 (5 μm의)를 사용합니다. 깨끗한 B를 사용하여짐을 싣다는 장치에 용지를 밀어 기포를 (그림 6A)를 제거합니다. 아크릴 필름은 RTD 센서 위에 종이를 보유하는 접착제 층이다.
4. 효소 활성화를위한, GOD 효소 활성화의 50 mM 아세트산 나트륨 완충액을 사용한다. 1 ㎎ / ㎖ 솔루션을 만들기 위해 아세트산 나트륨 완충액 1 ㎖로 신 효소의 1 mg을 추가합니다. 5.1 용액의​​ pH를 조정한다.
   주 : 5.1 용액의​​ pH를 유지하기 위해 아세트산 나트륨 완충액, 아세트산의 양을 조정한다.
5. 바이어스 1mA의 DC 전류 RTD는 RTD를 활성화하고 저항 실험 (~ 4 분) 이후에 정착하면서 지속적으로 저항 소스 / 미터 측정을 시작합니다.
   참고 : 그림 6b는 종이 기반의 열량 테스트의 측정 설정을 보여줍니다.
6. 피펫을 통해 종이 마이크로 채널 (고정 부위)의 중심 제조 GOD 용액 2 μl를 소개한다. 검출 된 온도 (그림 7A)는 T 시작해야합니다O 감소.
   참고 :이 냉각 효과가 함께 샘플의 높은 동작 측온 저항체의 온도와 증발 때문이다.
7. 글루코스 농도를 측정하기 위해, 채널 입구 표준 혈당 조절 용액 ^(9)을 도입하고, 반응에 의한 저항 변화를 측정한다. 모든 (높음, 보통 및 낮은 농도) 다른 혈당 조절 솔루션이 실험을 반복 저항 데이터를 저장합니다.
8. 니켈 -은 Callandar RTD 및 반 Dusen 방정식 저항 (TCR)의 온도 계수를 이용하여, 온도에 대한 저항 변화를 변환한다. 글루코오스 반응 엔탈피 및 GOD 효소 (Δ H = -80 kJ의 / 몰)을 고려하고 수학 식 ^{(10)의 농도를} 이용하여 각 샘플에서 포도당의 농도를 계산한다 :
   
   N _p를 몰 농도, C가 감지되는 경우 _{P는 시스템의 열용량 및 ΔT는 온도를 계산한다.}

결과

그림 3은 측정 된 온도 신호의 플롯을 보여줍니다. 해당 광학 이미지 비드의 존재 하에서 생성 된 신호는 마이크로 채널에서 미세 구 PS 비드의 성공적인 검출을 나타낸다. 마이크로 채널을 통과하는 액체의 열전도 PS 비드의 존재로 인해 변경된다. 채널의 열전도율의 변화는 마이크로 채널에서의 열전달에 영향을주지한다. 마이크로 채널에서의 열 전달의 변화는 저항의 변동 (?...

토론

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...

자료

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