Bu iş için kısmi maddi destek Su Ekipmanları &amp; Wisconsin-Milwaukee (IIP-0968887) ve Marquette Üniversitesi (IIP-0968844) Üniversitesi&#39;nde bulunan Politikası Sanayi / Üniversite Kooperatif Araştırma Merkezi aracılığıyla ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından sağlandı. Biz yararlı tartışmalar için Glenn M. Walker, Woo-Jin Chang ve Shankar Radhakrishnan teşekkür ederiz.

1. Termal Parçacık Algılama (TPD) <ol><li> Standart yarıiletken işleme teknolojisi kullanarak 2, mikroişleme bir ince film silisyum nitrür membran ve entegre sıcaklık sensörü ile mikro fabrikasyon silikon cihazını hazırlayın. Iyonu giderilmiş (Di) su ile imal cihazı durulayın. Not: Termal parçacık detektörü mikroakışkan cihaz için fabrikasyon yöntemi yayınlanmadan önce 2 açıklanmıştır. </li><li> Mikro-kanallı polidimetilsiloksan (PDMS) alt tabakaları üretmek için, 5 süreçleri standart litografi kullanarak SU8 kalıp oluşturmak. Not: Kanal boyutu her özel parçacığın boyut için tasarlanmıştır. <ol><li> Baz 1 oranında, (30 mi) ve ajan (3 mi) kurutma: 10 karıştırılmasıyla PDMS sağlayın. Kalıp üzerine PDMS dökün ve kısaca bir vakum (5-10 dk) maruz kaldığında kabarcıkları. Vakum seviyesi gazdan arındırma için kritik bir değer değil ve gaz Bubb kadar devam etmelidir: Notles tamamen karışık PDMS kaldırılır. </li><li> PDMS tedavisi için 2 saat için bir sıcak plaka (~ 70 ° C) kalıp yerleştirin. Kalıp zarar vermemek için daha sonra çok dikkatli PDMS soyulabilir. Not: Vakum seviyesi kritik bir değer değil. </li></ol></li><li> Manuel bir zımba kullanılarak, bir ucunda PTFE tüp için sıkı bir delik (1 mm) zımba. PDMS bir rezervuar yapmak için diğer ucunda büyük bir yumruk (2 mm) kullanın. Mikroskop altında cihazın üstündeki delikli mikro-kanal yerleştirin ve mikro kanaldan (Şekil 1A) merkezinde RTD hizalayın. </li><li> Elektrik arayüzde, iletişim ped pozisyonlarda elektrik işaretçilerine bağlamak ve kilitleme vidaları sıkıştırın. Yüksekliği ayarlanabilir pimleri (Pogo pin) cihaza doğru elektrot pedleri oturup emin olun. </li><li> 1.5 ml bir tüp içinde DI su, 100 ul konsantre PS boncuk 10 ul seyreltilir. </li><li> (Gliserol 2.7 ul ekleyin, 1.26 boncuk nötr batmaz kalır PS sağlamak içing / cm3), DI suyuna karşı polistiren (PS), boncuk yoğunluğuna sıvı yoğunluğu (uygun olarak 1,05 g / cm3). </li><li> Bir ucunda kanal ve bir 1 ml&#39;lik bir cam şırıngaya diğer ucuna PTFE tüp bağlayın. Dİ su, 0.5 ml bir cam şırınga doldurun. Not: tüplerde sızıntısını önlemek olacaktır sağ yumruk boyutu seçerek yapılan Sıkı uydurma. </li><li> Bilgisayar kontrollü şırınga pompası şırınga dolu distile su koyun. Sıvı ile rezervuara tüm yol, tüm kanal doldurmak için kanalın içine su (5-20 ul / dak) itin. </li><li> Rezervuara dengeli bir kordon 10 ul eriyik Yük ve şırınga pompası akış yönünü değiştirerek mikro kanal için boncuk çözeltisi getirmektedir. </li><li> (Şekil 2) kaynak / metre ile direnç ölçerken bilgisayar kontrollü kaynak / metre üzerinden DC akım 1 mA kutuplama ve ölçülen verileri sıralayarak RTD açın. Not: Deneme sırasında, sensör önyargılı olduğunu; Bu nedenle, sıcaklık sürekli olarak sayma deneyin sonuna kadar ölçülür. RTD sensörü elektriksel olarak sürekli sayma deneyin sonuna kadar sıcaklık ölçmek için 100 uA 1 mA aralığında bir DC akımı uygulanması ile gerilidir. Bu gürültü seviyesi ve algılanan sinyal genliği arasında bir trade-off olmadığından, doğru akım seviyesini seçmek için kritik öneme sahiptir. Şırınga pompası mikro-kanal akışını oluşturmak için kullanılır. TPD deneyi gerçekleştirmek için uygun bir akış hızı seçilmesi ölçüm hızı ile sınırlıdır. Bu hız cihazı ve elektrikli ölçüm hızı termal zaman sabitinin bir fonksiyonudur. Termal partikül tespit Deneyin sonuçları Şekil 3&#39;te gösterilmiştir. </li><li> Callendar-Van Dusen denklemi 6 kullanarak sıcaklık ölçülen direnç verileri dönüştürmek için geliştirilen veri işleme yazılımı (LabVIEW) kullanın. </li></ol> Termal 2.Mikro-kalorimetresi kullanılarak sıvı maddelerin karakterizasyonu <ol><li> Bu işlemde, termal yayılma ve numunelerin özgül ısı ölçmek için çip üzerinde kalorimetre cihazı (Şekil 4A) 3 kullanın. Not: her kalıp üzerinde, 2 mikro kalorimetre odalar (Şekil 4B) vardır. Her bir odacık 2 giriş ve bir çıkışa sahiptir. Ve her bölme, bir ısıtıcı ve entegre bir ATG sensöre sahiptir. </li><li> Cihaz sahibinin (Şekil 4C) mikro-kalorimetre cihazı yerleştirin. Tutucu parçaları ile mikroakışkan girişi ve çıkışları cihazı aynı hizaya getirin. Cihazın üst kısmındaki PDMS conta katmanı yerleştirin. </li><li> Cihaz tutucu elektrik bağlantısı işaretçilerine takın ve tutucu vidaları kilitleyin. Not: Yüksekliği ayarlanabilir Pogo iğneler elektrik kontak ile uyumlu olduğundan emin olun. </li><li> Cihaz sahibinin (Şekil 4D) manyetik mandallı mikroakışkan arayüz katmanı yükleyin. PT geçFE koylar ve çıkış hem de tüpler. Numune yüklü şırınga pompası bir giriş bağlayın ve entalpisi, bu durumda ölçülen değil gibi, diğerini kapatın. </li><li> Mikro-kanal ve odalarına örnek yüklemek için geliştirilmiş bilgisayar kontrollü programı kullanın. Not: Program ince-film askıya odasının aşırı basınç serbest bırakmak için durdurulan akışını kullanır. <ol><li> Cam şırınga içine 300 ul örneği yükleyin ve şırınga pompası üzerine yerleştirin. Yüksek viskozite örneklerinde (örneğin, gliserol ve iyonik sıvılar) için çok yavaş (0.25 ul / dak) sabit akış oranlarını kullanın. Özgül ısı ölçümleri için ısıl yayınım ölçümleri ve iyonik sıvılar için gliserol örneği kullanın. </li></ol></li><li> Ölçümler <ol><li> Isıl yayınım ölçümleri <ol><li> Şekil 5A&#39;da gösterildiği gibi ölçümler setup bağlayın. Mikro-kalorimetre odasına gliserol örneği yükleyin. Hea için modifiye bilgisayar kontrollü programını çalıştırın<html> t penetrasyon süresi ölçümü. </li><li> Ölçülen ısı penetrasyon zaman 7 termal yayılma hesaplamak için kalibre ısı penetrasyon denklemini kullanın: <img alt="Denklem 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> α termik yayıcılığıdır, L odasının kalınlığı, s nedeniyle üretim süreci varyasyonuna kalınlığı kalibrasyon faktörü olduğunu, ve t, 0, ısı penetrasyonu zamandır. </li></ol></li><li> Özgül ısı ölçümleri <ol><li> Şekil 5B gösterildiği gibi TWA ölçüm kurulum kullanın. Aynı numune yükleme programı kullanın ve odanın içinde iyonik sıvı yükleyin. AC sıcaklık dalgalanmaları (∂ T AC) genliğini almak için TWA programını çalıştırın ve hesaplamak için özgül ısı denklemini kullanan belirli, c p, her iyonik sıvı numunesi 8 ısı: 28eq2.jpg &quot;width =&quot; 117 &quot;/&gt; Cı 0 giriş güç kalibrasyon faktörü olduğu, giriş gücü P, ω çalıştırma sinyalinin frekansı ve m, sıvı numune ağırlığıdır. </li></ol></li></ol></li></ol> Paper-based mikroakışkan Aygıt 3. Kalorimetrik Biyokimyasal Algılama <ol><li> Microfabricated ince film (40-50 nm nikel) RTD sensörünü kullanın. RTD sensörü için fabrikasyon aşamaları önceki eserlerinde 4 açıklanmıştır. </li><li> Kağıt tabanlı kanal imalat 4 için kağıt tasarlanmış desen (L-şekil) ile mikroakışkan kanalları kesmek için bir bıçak plotter kullanın. Kesme mat üstünde kağıt yerleştirin kağıt ve bıçak çizici kesme mat yükleyin ve mikroakışkan kağıt kanalları 4 kesmek için uygun tarifi kullanabilirsiniz. </li><li> Cihaz ve kanal entegrasyonu için RTD sensörü Kağıdı entegre akrilik yapışkan tabaka (5 mikron) kullanın. Temiz bir b kullanınlade cihaza kağıdı itin ve hava kabarcıklar (Şekil 6A) kaldırın. akrilik filmi RTD sensörü üzerinde kağıt tutmak için bir yapışkan tabakasıdır. </li><li> Enzim aktivasyon için, GOD enzimi etkinleştirmek için 50 mM sodyum asetat tamponu kullanılır. 1 mg / ml çözelti yapmak için sodyum asetat tamponunun 1 ml&#39;lik GOD enzim, 1 mg ekleyin. 5.1 çözeltinin pH ayarlayın. Not: çözeltinin 5.1 pH&#39;ının muhafaza edilmesi için sodyum asetat tampon maddesi içinde, asetik asit miktarını ayarlayın. </li><li> Önyargı 1 mA DC akım ile RTD RTD etkinleştirmek ve direnç deney (~ 4 dk) sonra yerleşir ise sürekli direnç kaynağı / metre ölçüm başlatın. Not: Şekil 6B kağıt bazlı kalorimetrik testi için ölçüm kurulumunu göstermektedir. </li><li> Pipet aracılığıyla kağıt mikro kanaldan (hareketsizlik sitesi) merkezine hazırlanan ALLAH solüsyonu 2 ul tanıtın. tespit edilen sıcaklık (Şekil 7A) t başlamalıdıro azaltın. Not: Bu soğutma etkisi birlikte numune daha yüksek bir işletim RTD sıcaklık ve buharlaştırarak kaynaklanmaktadır. </li><li> Glikoz konsantrasyonunu ölçmek için, kanal girişine standart glukoz kontrol çözümü 9 tanıtmak ve reaksiyonun neden direnç değişimi ölçmek. Tüm (yüksek, normal ve düşük konsantrasyonlarda) farklı glukoz kontrol çözümleri ile bu denemeyi tekrarlayın ve direnç verileri kaydetmek. </li><li> Nikel RTD ve Callendar-Van Dusen denklemi direnci (TCR) sıcaklık katsayısı kullanarak, sıcaklık direnç değişikliği dönüştürün. Glikoz, reaksiyon toplu ısısına ve GOD enzim (Δ H = -80 kJ / mol) dikkate alınarak ve konsantrasyon denklem 10 kullanılarak her bir numunedeki glikoz konsantrasyonu hesaplanır: <img alt="Denklem 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> n, p mol konsantrasyonu, Cı tespit edilir burada <sub&gt; P sistemi ısı kapasitesi ve DT sıcaklığı hesaplanır. </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>

Çıkar çatışması ilan etti.

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...

Üç farklı mikro ölçekli ısı ölçüm teknikleri bu makalede sunulmuştur. mikroakışkan cihazlar üç farklı konfigürasyonu ısı parçacık algılama (TPD), ısı karakterizasyon (termal iletkenlik ve özgül ısı) ve kimyasal reaksiyonlar ve etkileşimleri kolorimetrik tespiti için kullanılır. Termal Parçacık Algılama Tespit etmek ve mikroakışkan cihazlar parçacıkların sayımı yaygın çevresel sanayi ve biyolojik uygulamalar 1 kullanılır. TPD mikroakışkan cihazlar 2 termik ölçümlerin yeni uygulamalardan biridir. Tespit ve partikül büyüklüğüne göre partiküllerin sayılması için ısı transferini kullanarak sistemin karmaşıklığı, maliyet ve büyüklüğünü azaltır. Diğer yöntemler, karmaşık optik veya kompleks elektrik ölçümler ve gelişmiş sinyal işleme yazılımında parçacıkların saptanması için kullanılır. Termal CharaMikro-kalorimetre kullanarak sıvı maddelerin cterization Sıvı örnek termal karakterizasyonu mikroakışkan cihazlarda ısı ölçüm ikinci uygulamasıdır. Mikro ölçekli kalorimetre Sahne örnek tüketimini azaltmak ve konvansiyonel dökme kalorimetre yöntemlerine göre daha yüksek tekrarlanabilirlik sunarak hassasiyetini artırır. çip üzerinde mikro kalorimetre cihazı kullanılarak ısı iletkenliği ve özgül ısı ölçümü için prosedürler başka 3 sunulmaktadır. ısıl iletkenlik ölçümü için ısı penetrasyon süresi tekniği ve mikroakışkan cihazlarda özgül ısı ölçümleri için termal dalga analizi (TWA) detayları protokol bölümünde açıklanmıştır. Kalorimetrik Bio-Kimyasal Algılama Kağıt Tabanlı mikroakışkan Aygıt Termal ölçüm başka bir uygulama kağıt tabanlı Mikroakiskan biyokimyasal algılama olduğunu. kılcal eylemiKağıdın gözenekli yapısı sıvıyı taşıyan ve mikro kanallarda kabarcık başlatma sorunlarını önler. kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlarda en yaygın algılama mekanizmaları, optik veya elektrokimyasal teknikler bulunmaktadır. Optik algılama yüksek karmaşıklık muzdarip ve gelişmiş görüntü işleme yazılımı gerekliliği tespit sinyalini nicemlemek için. Sadece, aktif yan ürünler üreten reaksiyonları uygulanabilir, çünkü elektrokimyasal bulgulama da sınırlıdır. Son zamanlarda tanıtılan Kalorimetre kağıt tabanlı biyokimyasal sensör platformu 4 kağıt tabanlı mikroakışkan sistemi ve etiket içermeyen termal algılama mekanizmasının yararlanır. Bir kağıt tabanlı mikroakışkan platformda glikoz oksidaz (GOD) enzimini kullanarak, glikoz kolorimetrik tespit prosedürleri protokolü bölümünde sunulmaktadır. Bu yazının amacı, mikroakışkan cihazlarda ısı ölçüm teknikleri yeteneklerini göstermek için. Cihaz ilaçlan, sıvı numune alma ve direnç sıcaklık dedektörü (RTD) sensör uyarma ve ölçüm sonraki bölümlerde sunulmuştur.

<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.

Şekil 3 ölçülen termal sinyal grafiğini göstermektedir. karşılık gelen optik görüntüler ile boncuk varlığında üretilen sinyaller mikro kanal mikrosfer PS boncuk başarılı bir algılama göstermektedir. Mikro kanal boyunca geçen sıvının termal iletkenliği PS boncuk varlığına bağlı olarak değişiyor. Kanalın ısı iletkenliği bu değişiklik, mikro-kanal ısı transferi etkiliyor. Mikro kanal ısı transferi değişim direnci dalgalanması (Şekil 3A ve <str...

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

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

Analitik mikroakışkan Cihazlar Termal Ölçme Teknikleri

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

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

Research

JoVE Journal

Engineering

9.5K Görüntüleme.  Marquette University. Here, we present three protocols for thermal measurements in microfluidic devices. 

Video: Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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.

Tek boyutlu Katı Malzemelerin Termal Ulaştırma Karakterizasyonu

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

Mühendislik

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.

Havada Dielektrik mikropartiküllerin Optik Tuzak Yükleme

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 İmalat ve COP mikroakışkan Cihazlar için çözücü Bağlar

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.

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&amp;#233; Fringes

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.

Örneklemeden Mozaik Saçaklardan Mikro / Nano-Ölçekli Gerinim Dağılım Ölçümü

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.

Poli (etilen glikol) Diacrylate damlacıklar yoluyla yarı-3 boyutlu akış odaklanarak mikrosıvısal cihazlar boyutu kontrol nesil

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.

Eş zamanlı ölçüm türbülans ve akış görüntüleme teknikleri kullanarak parçacık kinematik

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.

Temassız Rezonans Kavite Dielektrik Spektroskopik Çalışmalar için Yöntem Geliştirme Selülozik Kağıt

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.

Akustik Nanofluidics için Lityum Niyobat ile Yüzey Akustik Dalga Aktüasyon Birleştiren Nanoheight Kanallarıimalatı

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.

Sıralı Kızılötesi Termografi ile Konveyör Bant Fırınında Situ Yüzey Sıcaklığı Ölçümü

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

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a result, these platforms have not been fully exploited for direct observation of high-pressure transport in fractures. This work introduces microfluidic platforms that enable direct observation of multiphase flow in devices featuring surrogate permeable media and fractured systems. Such platforms provide a pathway to address important and timely questions such as those related to CO2 capture, utilization and storage. This work provides a detailed description of the fabrication techniques and an experimental setup that may serve to analyze the behavior of supercritical CO2 (scCO2) foam, its structure and stability. Such studies provide important insights regarding enhanced oil recovery processes and the role of hydraulic fractures in resource recovery from unconventional reservoirs. This work presents a comparative study of microfluidic devices developed using two different techniques: photolithography/wet-etching/thermal-bonding versus Selective Laser-induced Etching. Both techniques result in devices that are chemically and physically resistant and tolerant of high pressure and temperature conditions that correspond to subsurface systems of interest. Both techniques provide pathways to high-precision etched microchannels and capable lab-on-chip devices. Photolithography/wet-etching, however, enables fabrication of complex channel networks with complex geometries, which would be a challenging task for laser etching techniques. This work summarizes a step-by-step photolithography, wet-etching and glass thermal-bonding protocol and, presents representative observations of foam transport with relevance to oil recovery from unconventional tight and shale formations. Finally, this work describes the use of a high-resolution monochromatic sensor to observe scCO2 foam behavior where the entirety of the permeable medium is observed simultaneously while preserving the resolution needed to resolve features as small as 10 &#181;m.

Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs

This paper describes a protocol along with a comparative study of two microfluidic fabrication techniques, namely photolithography/wet-etching/thermal-bonding and Selective Laser-induced Etching (SLE), that are suitable for high-pressure conditions. These techniques constitute enabling platforms for direct observation of fluid flow in surrogate permeable media and fractured systems under reservoir conditions.

Kırık Konvansiyonel Olmayan Rezervuarlarda Mikroölçekli Süperkritik CO2 Köpük Taşımanın Yüksek Basınçlı Testlerinde Mikroakışkan Üretim Teknikleri

Pressure limitations of many microfluidic platforms have been a significant challenge in microfluidic experimental studies of fractured media. As a ...