Name: thermal measurement techniques in analytical microfluidic devices
Uploaded: 2015-06-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices at JoVE.com

وقدم الدعم المالي الجزئي لهذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية من خلال مركز البحوث التعاونية الصناعة / جامعة على معدات المياه والسياسات التي تقع في جامعة ويسكونسن ميلووكي (IIP-0968887) وجامعة ماركيت (IIP-0968844). نشكر غلين م. ووكر، وو جين تشانغ وشانكار راداكريشنان لإجراء مناقشات مفيدة.

1. الحراري كشف الجسيمات (طن يوميا) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحضير الجهاز السيليكون ملفقة الصغير مع الأغشية الرقيقة نيتريد السيليكون الغشاء واستشعار درجة الحرارة متكامل من قبل متناهي الصغر، وذلك باستخدام أشباه الموصلات القياسية تكنولوجيا معالجة 2. شطف الجهاز ملفقة مع منزوع الأيونات (DI) المياه. ملاحظة: يتم شرح طريقة التصنيع للكشف عن الجسيمات الحرارية جهاز ميكروفلويديك في نشرها قبل 2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لإنتاج polydimethylsiloxane (PDMS) ركائز مع القنوات الصغيرة، إنشاء قالب SU8 باستخدام الطباعة الحجرية القياسية بمعالجة 5. ملاحظة: تم تصميم حجم القناة عن البعد كل جسيم معين ل. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جعل PDMS عن طريق خلط 10: 1 نسبة من قاعدة (30 مل) وكيل علاج (3 مل). صب PDMS إلى العفن وإزالة الفقاعات من خلال تعريض لفترة وجيزة على فراغ (5-10 دقيقة). ملاحظة: مستوى الفراغ ليس القيمة الحرجة لdegasification ويجب أن تستمر حتى bubb الغازتتم إزالة ليه تماما من PDMS مختلطة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع القالب على موقد (~ 70 درجة مئوية) لمدة 2 ساعة لعلاج PDMS. ثم انزع PDMS بعناية فائقة حتى لا تتلف القالب. ملاحظة: مستوى فراغ ليست قيمة حرجة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام لكمة اليدوي، لكمة ثقب ضيق (1 مم) لأنبوب PTFE في نهاية واحدة. استخدام لكمة كبيرة (2 ملم) في الطرف الآخر لجعل PDMS الخزان. وضع كمات القنوات الصغيرة على رأس الجهاز تحت المجهر ومحاذاة RTD في مركز للقناة الصغيرة (الشكل 1A). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في واجهة الكهربائية، وربط المسامير الكهربائية في مواقف وحة الاتصال وتشديد الخناق القفل. تأكد من دبابيس ارتفاع قابل للتعديل (دبابيس بوجو) الجلوس في منصات قطب كهربائي الصحيحة على الجهاز. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تمييع 10 ميكرولتر من الخرز PS المركزة في 100 ميكرولتر من المياه DI في أنبوب 1.5 مل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لضمان PS لا تزال حبات مزدهرة بشكل محايد، إضافة 2.7 ميكرولتر من الجلسرين (1.26جم / سم 3) على مياه DI لتتناسب مع كثافة السوائل إلى البوليسترين (PS) كثافة حبة (1.05 جم / سم 3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توصيل أنبوب PTFE إلى القناة في نهاية واحدة والطرف الآخر إلى كوب 1 مل حقنة. ملء حقنة زجاجية مع 0.5 مل من الماء DI. ملاحظة: ضيقة مصنوعة عن طريق تحديد الحجم الصحيح لكمة سوف تجنب تسرب في أنابيب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع المياه DI شغل حقنة على ضخ حقنة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. دفع الماء (5-20 ميكرولتر / دقيقة) في القناة لملء القناة بأكملها مع السائل على طول الطريق إلى الخزان. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل 10 ميكرولتر من محلول حبة متوازن إلى الخزان وإدخال حل حبة لقناة الصغرى عن طريق تغيير اتجاه تدفق على ضخ حقنة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدوره على RTD التي يتحامل 1 مللي أمبير من التيار المستمر من خلال الكمبيوتر التي تسيطر عليها المصدر / متر بينما قياس المقاومة المصدر / متر وفرز البيانات المقاسة (الشكل 2). ملاحظة: أثناء التجربة، واستشعار منحازة؛ وبالتالي، يتم قياس درجة الحرارة بشكل مستمر حتى نهاية التجربة العد. منحازة للاستشعار RTD كهربائيا من خلال تطبيق العاصمة الحالية في مجموعة من 100 أمبير إلى 1 مللي أمبير لقياس مستمر لدرجات الحرارة حتى نهاية التجربة العد. فمن الأهمية بمكان لتحديد المستوى الحالي الصحيح أنه ليس هناك مفاضلة بين مستوى الضوضاء والسعة إشارة الكشف عنها. يستخدم ضخ حقنة لتوليد التدفق في قناة الصغرى. اختيار معدل التدفق المناسب لإجراء التجربة TPD غير محدود لسرعة القياس. هذه السرعة هي وظيفة من ثابت الوقت الحراري للجهاز والكهربائية سرعة القياس. وأظهرت نتائج التجربة الحرارية كشف الجسيمات في الشكل (3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام ضعت برامج معالجة البيانات (ابفيف) لتحويل بيانات المقاومة قياس لدرجة الحرارة باستخدام المعادلة كالاندار-فان دوسين 6. </li></ol> 2. الحراريةتوصيف المواد السائلة باستخدام مايكرو-المسعر <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في هذه العملية، استخدم جهاز المسعر على رقاقة (الشكل 4A) 3 لقياس انتشارية الحراري والحرارة النوعية من العينات. ملاحظة: على كل يموت، وهناك 2 غرف الصغرى المسعر (الشكل 4B). كل غرفة لديها 2 مداخل ومخرج واحد. وكل غرفة لديها سخان وجهاز استشعار RTD متكاملة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الجهاز الصغير المسعر على حامل الجهاز (الشكل 4C). محاذاة الجهاز إلى مداخل ومنافذ ميكروفلويديك مع التجهيزات حامل. وضع طبقة ختم PDMS على رأس الجهاز. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تثبيت المسامير الربط الكهربائي على حامل الجهاز وقفل مسامير حامل. ملاحظة: تأكد من محاذاة دبابيس بوجو-ارتفاع قابل للتعديل مع منصات الاتصال الكهربائية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تثبيت طبقة واجهة ميكروفلويديك مع المزالج المغناطيسي لصاحب الجهاز (الشكل 4D). ربط PTFE أنابيب إلى كل مداخل ومخرج. ربط مدخل واحد إلى تحميل عينة ضخ حقنة وإغلاق الآخر، كما لا يقاس المحتوى الحراري في هذه الحالة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها وضعت لتحميل عينة في القناة الصغرى وغرف. ملاحظة: سوف يستخدم البرنامج تدفق قفها لاطلاق سراح الضغط المفرط على غرفة مع وقف التنفيذ الأغشية الرقيقة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل العينة 300 ميكرولتر في حقنة زجاجية ووضعه على ضخ حقنة. استخدام بطيئة جدا (0.25 ميكرولتر / دقيقة) معدلات التدفق المستمر للعينات عالية اللزوجة (على سبيل المثال، الجلسرين والسوائل الأيونية). استخدام عينة الجلسرين لقياس الانتشارية الحرارية والسوائل الأيونية لقياس الحرارة النوعية. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> القياسات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياسات انتشارية الحرارية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ربط الإعداد القياسات كما هو مبين في الشكل 5A. تحميل عينة الجلسرين إلى غرفة صغيرة المسعر. قم بتشغيل برنامج الكمبيوتر التي تسيطر عليها تعديل لهيئة التعليم العالي<html> ر اختراق قياس الوقت. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام المعادلة اختراق الحرارة معايرة لحساب انتشارية الحرارية من الحرارة المقاسة الوقت اختراق 7: <img alt="المعادلة 1" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq1.jpg" width="100" /> حيث α هو انتشارية الحراري، L هو سمك الغرفة، ص هو العامل سمك المعايرة نظرا لاختلاف عملية التصنيع، ور 0 آن الأوان اختراق الحرارة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياسات الحرارة النوعية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام الإعداد قياس TWA كما هو مبين في الشكل 5B. استخدام نفس البرنامج عينة التحميل وتحميل السائل الأيونية في الغرفة. تشغيل البرنامج TWA للحصول على السعة من التقلبات في درجات الحرارة AC (∂ T AC) واستخدام معادلة الحرارة النوعية لحساب محددة، ج ص، الحرارة لكل عينة السائل الأيونية 8: 28eq2.jpg &quot;العرض =&quot; 117 &quot;/&gt; حيث C 0 يتم إدخال عامل المعايرة السلطة، P في غير مدخلات الطاقة، ω هو التردد للإشارة يشتغل، و m هو كتلة من عينة السائل. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. المسعرية كشف الكيمياء الحيوية في الورقية جهاز ميكروفلويديك <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام microfabricated رقيقة (40-50 نانومتر النيكل) استشعار RTD. وأوضح الخطوات تلفيق للاستشعار RTD في الأعمال السابقة 4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لالورقية قناة تلفيق 4، استخدام راسمة سكين لقطع ورقة قنوات ميكروفلويديك مع نمط تصميم (L-الشكل). وضع ورقة على رأس حصيرة القطع، تحميل ورقة وحصيرة قطع الراسمة لسكين، واستخدام وصفة مناسبة لقطع قنوات رقة الموائع الدقيقة 4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> للجهاز وقناة التكامل، استخدم طبقة لاصقة الاكريليك (5 ميكرون) لدمج ورقة على استشعار RTD. استخدام ب نظيفةجمعية لدفع الصحيفة إلى الجهاز وإزالة فقاعات الهواء (الشكل 6A). الفيلم الاكريليك هو طبقة لاصقة لعقد ورقة على استشعار RTD. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتنشيط انزيم، استخدم 50 ملي العازلة خلات الصوديوم لتنشيط انزيم الله. إضافة 1 ملغ من انزيم GOD إلى 1 مل من الصوديوم العازلة خلات لجعل 1 ملغ / مل حل. ضبط درجة الحموضة من الحل إلى 5.1. ملاحظة: ضبط كمية من حمض الخليك في المنطقة العازلة خلات الصوديوم للحفاظ على PH من حل 5.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انحياز RTD مع 1 أمبير من العاصمة الحالية لتفعيل الحق في التنمية والبدء في قياس مصدر المقاومة / متر متواصلة بينما المقاومة يستقر بعد التجربة (~ 4 دقائق). ملاحظة: يبين الشكل 6B الإعداد قياس لاختبار مقياس الكالوري الورقية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يعرض ميكرولتر 2 من الحل أعده الله للمركز من ورقة الصغرى قناة (موقع الشلل) عن طريق ماصة. درجة الحرارة الكشف عن (الشكل 7A) يجب أن يبدأ رس الانخفاض. ملاحظة: هذا تأثير التبريد ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة تشغيل RTD والتبخر من العينة معا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لقياس تركيز السكر، وإدخال السيطرة على مستويات الجلوكوز القياسية حل 9 إلى مدخل القناة وقياس التغير المقاومة الناجمة عن رد الفعل. تكرار هذه التجربة مع جميع الحلول السيطرة على مستويات الجلوكوز مختلفة (عالية، عادية وتركيزات منخفضة) وحفظ البيانات المقاومة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام معامل درجة الحرارة المقاومة (TCR) لRTD النيكل وكالاندار-فان دوسين المعادلة، وتحويل التغيير المقاومة لدرجة الحرارة. حساب تركيز الغلوكوز في كل عينة من خلال النظر في المحتوى الحراري رد فعل الجلوكوز والانزيم الله (Δ H = -80 كج / مول) وباستخدام معادلة تركيز 10: <img alt="المعادلة 3" src="/files/ftp_upload/52828/52828eq3.jpg" width="83" /> حيث تم الكشف عن ن ص التركيز المولي، C <sub&gt; p غير السعة الحرارية للنظام ويتم احتساب ΔT درجة الحرارة. </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>

أعلنت أي تضارب في المصالح.

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...

يتم عرض ثلاث تقنيات القياس الحرارية الصغيرة الحجم مختلفة في هذه المقالة. وتستخدم تكوينات مختلفة ثلاثة من الأجهزة ميكروفلويديك للكشف الحراري الجسيمات (طن يوميا)، وتوصيف الحراري (التوصيل الحراري والحرارة النوعية)، والكشف عن المسعر من التفاعلات الكيميائية والتفاعلات. الحراري كشف الجسيمات ويستخدم على نطاق واسع كشف والعد الجسيمات في أجهزة ميكروفلويديك في التطبيقات البيئية والصناعية والبيولوجية 1. TPD هي واحدة من تطبيقات جديدة من القياسات الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك 2. عن طريق نقل الحرارة للكشف عن والعد الجسيمات على أساس حجم الجسيمات يقلل من التعقيد والتكلفة وحجم النظام. في أساليب أخرى، والبصريات المعقدة أو مقاييس الكهربائية المعقدة والمتقدمة برامج معالجة إشارة تستخدم للكشف عن الجسيمات. شارا الحراريcterization من المواد السائلة عن طريق مايكرو قياس السعرات الحرارية توصيف الحرارية عينة السائل هو التطبيق الثاني من القياس الحراري في أجهزة ميكروفلويديك. سوف يؤدون الصغيرة الحجم الكالوري تقليل استهلاك عينة وزيادة الدقة من خلال تقديم أعلى التكرار بالمقارنة مع التقليدية وأساليب الكالوري السائبة. وتعرض إجراءات التوصيل الحراري وقياس الحرارة معين باستخدام الجهاز الصغير المسعر على رقاقة في أي مكان آخر 3. ووصف تفاصيل تقنية الوقت اختراق الحرارة لقياس الموصلية الحرارية وتحليل الموجة الحرارية (TWA) لقياس الحرارة النوعية في أجهزة ميكروفلويديك في قسم البروتوكول. المسعرية الحيوية الكيميائية كشف في ورقة القائم على جهاز ميكروفلويديك تطبيق آخر لقياس الحراري هو الكشف عن والكيمياء الحيوية في microfluidics الورقية. عمل شعري فيبنية مسامية من الورق يحمل السائل والابتعاد عن مشاكل بدء فقاعة في القنوات الصغيرة. آليات الكشف الأكثر شيوعا في أجهزة الورقية ميكروفلويديك هي التقنيات البصرية أو كهروكيميائية. كشف بصري يعاني من التعقيد وضرورة متقدمة برامج معالجة الصور لتكمم إشارة الكشف عنها. تقتصر المكتشفة الكهروكيميائية أيضا لأنها لا يمكن تطبيقها على ردود الفعل التي تنتج مشتقات نشطة. أدخلت مؤخرا الورقية المسعرية استشعار الكيمياء الحيوية منصة 4 يستفيد من نظام ميكروفلويديك الورقية وآلية الكشف الحرارية خالية من التسمية. وتعرض إجراءات الكشف عن المسعر من الجلوكوز باستخدام أوكسيديز الجلوكوز (GOD) انزيم في منصة الورقية ميكروفلويديك في قسم البروتوكول. الهدف من هذه الورقة هو للتدليل على قدرات تقنيات القياس الحرارية في أجهزة ميكروفلويديك. ومحضرات الجهازن، يتم عرض عينة السائل كشف المناولة ومقاومة درجات الحرارة (RTD) الإثارة أجهزة الاستشعار والقياس في المقاطع التالية.

<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.

ويبين الشكل 3 مؤامرة من إشارة الحرارية قياس. الإشارات ولدت في وجود حبات مع الصور الضوئية المقابلة تظهر الكشف الناجح من الخرز microsphere PS في القناة الصغيرة. الموصلية الحرارية من السائل يمر من خلال القناة الدقيقة يتغير بسبب وجود من الخرز PS. هذا التغيير في التوصيل ?...

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.

تقنيات القياس الحرارية في تحليلي الأجهزة ميكروفلويديك

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Video: Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

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

تيراهيرتز الاستشعار ميكروفلويديك باستخدام الاستشعار الدليل الموجي الموازي لوحة

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

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.

طرق الكشف عن منصات مضان الحبرية ميكروفلويديك

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

Bioengineering

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.

الألياف البصرية مجسات الموزعة لعالية الدقة لرسم الخرائط درجة الحرارة الميدان

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.

عالية الإنتاجية ميكروفلويديك السريع وانخفاض تكلفة النماذج طرق التعبئة والتغليف

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.

تصنيع واختبار الحرارة الضوئية

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

Chemistry

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.

تقنية قياس درجات الحرارة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للمياه المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي

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.

قياسات لنقل الحرارة الحمل الحراري لحظية المحلية في أنبوب--تدفق واحد ومرحلتين

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.

تحليل خلط التجانس في جهاز ميكروفلويديك التي كتبها الميكروسكيل انعراجي تقنية

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.

جهاز ميكروفلويديك الانجذاب الكيميائي لقياس تركيز البكتيريا في التدرجات مستقرة

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

Biology

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.

الإجراء معدني لينة لإنتاج أجهزة موائع جزيئية البلاستيك مع عرض-منافذ شفافة للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء

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 ...