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

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><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.

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

9.6K Görüntüleme.  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

Paralel plaka Waveguide Sensor Kullanımı Terahertz Mikroakışkan Algılama

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

Mühendislik

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.

Mikroakışkan damlacık platformları için Floresan algılama yöntemleri

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

Biyomühendislik

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.

Yüksek çözünürlüklü Sıcaklık Alan Haritalama için Fiber Optik Sensörler Dağıtılmış

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.

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.

İmalat ve fotonik termometreler test

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

Kimya

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.

Yakın kızılötesi sıcaklık ölçüm tekniği bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen su için

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.

Yerel anlık konvektif ısı transferi boru - tek ve iki aşamalı akış ölçümleri

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.

Mikro Schlieren Tekniği ile bir mikroakışkan Aygıt karıştırma homojen Analizi

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.

Kararlı Konsantrasyon Degradeler Bakteriyel Kemotaksis miktarının mikroakışkan Aygıt

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

Biyoloji

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.

Görünüm-bağlantı noktaları görünür ve kızılötesi ışık şeffaf plastik mikrosıvısal cihazlar üretmek için yumuşak tekniğinde yordamı

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 ...