• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: [email protected]

Editat de George M. Whitesides, Universitatea Harvard, Cambridge, MA și aprobat la 22 iulie 2009 (primit pentru examinare 9 februarie 2009)

microfluidice

Acest articol are o corecție. Te rog vezi:

Abstract

Calorimetrele fluidice oferă capacitatea de a caracteriza termodinamica proceselor chimice complet fără etichetare sau imobilizarea analitului. Această flexibilitate este utilizată pe scară largă pentru studiul interacțiunilor biomoleculare, modificărilor structurale intramoleculare și cinetica enzimatică (1-3). Cu toate acestea, protocoalele de măsurare cu calorimetrele existente implică volume de probă relativ mari, de obicei pe scara a sute de microlitri și timpi lungi de măsurare, de obicei de ordinul a zeci de minute.

Există o nevoie din ce în ce mai mare de calorimetrele fluidice cu volum mic, atât pentru cercetarea științifică fundamentală, cât și pentru aplicațiile în tehnologie. Dezvoltările recente în microfabricare fac acum posibilă construirea de „calorimetre cu cip” capabile să testeze volume variind de la microlitru la scara zecilor de picolitri (4-14). În viitor, extinderea operațiunilor bazate pe matrice va permite un randament ridicat de măsurare cu volumele reduse de eșantioane necesare pentru a face rentabil screeningul calorimetric al marilor biblioteci de analiți. Deși calorimetrele cu cip existente sugerează fezabilitatea unor astfel de posibilități viitoare, dezvoltarea practică și desfășurarea acestei tehnologii au fost îngreunate de sensibilitatea redusă a dispozitivului și de lipsa manipulării fiabile a probelor până la volume de picoliteri.

Calorimetrele cu cip pot fi clasificate în două categorii în funcție de configurația camerelor lor de măsurare/reacție. Calorimetrele cu cipuri cu cameră deschisă sunt construite utilizând puțuri sau platforme izolate termic pe care eșantioanele sunt observate sub formă de picături prin micropipetă sau imprimare cu jet de cerneală (4-10). În schimb, calorimetrele cu cipuri cu cameră închisă utilizează canale microfluidice pentru a accesa camere de măsurare închise, în care sunt introduse probele și sunt monitorizate reacțiile (11-14). Deși calorimetrele cu cipuri cu cameră deschisă oferă o izolație termică destul de bună, acestea suferă în general de limitări critice care rezultă din evaporare și stângăcie în manipularea probelor. Acestea pot duce cu ușurință la măsurători eronate. Pe de altă parte, calorimetrele cu cipuri cu cameră închisă au, în general, o conductanță termică mai mare față de mediul înconjurător în comparație cu modelele cu cameră deschisă. Acest lucru poate duce la pierderi semnificative de căldură, care, la rândul lor, pot limita sensibilitatea dispozitivului. În plus, sensibilitatea lor suferă de obicei de o capacitate de căldură a dispozitivului mai mare decât cea comună dispozitivelor cu cameră deschisă.

Raportăm aici fabricarea și funcționarea calorimetrelor cu cameră închisă pe bază de microcip pe baza unei noi configurații care oferă o sensibilitate mult îmbunătățită. Incorporăm calorimetrul într-un sistem microfluidic de parilenă cu peliculă subțire, care este izolat termic de împrejurimile sale prin încapsulare sub cip. Manevrarea probelor la 1 nL și mai jos este asigurată prin interfața acestor calorimetre cu microfluidice pneumatice moi (supape, pompe și canale de curgere) pentru un control ușor și precis al reacției. Această tehnologie poate fi ușor extinsă la arhitecturi de matrice capabile de teste calorimetrice de mare viteză pentru o gamă largă de aplicații în chimie, științele vieții și medicină.

Rezultate si discutii

Calorimetrele pe care le-am dezvoltat cuprind trei componente principale: microfluidice, termopile și încapsulare în vid (figurile 1 și 2). Microfluidicele includ o cameră de măsurare, canale de curgere și componente pneumatice de control al debitului cuprinzând supape și pompe. În camera microfluidică sunt integrate termopile pentru măsurarea locală a temperaturii. Canalele microfluidice și camera de măsurare sunt închise în incapsulare vidată (Fig. 1 B și C).

Cip calorimetru microfluidic pe bază de parilen-polimer. (A) Cipul dispozitivului (3 × 3 cm) montat pe o mandrină de vid. Sunt afișate cablurile senzorului (stânga) și tubulatura de control microfluidic PDMS (dreapta). (B) Schema dispozitivului (vedere în secțiune transversală). Membrana parilenică este suspendată și izolată termic prin vid. (C) Imagine cu microscopie optică a regiunii camerei de măsurare a cipului, inclusiv limita spațiului de vid pe cip. Evacuarea prin vid se face prin orificiul purpuriu vizibil în partea stângă sus. (D) Microfluidica parilenică, termopilul și încălzitorul de pe membrana parilenică (pătrat de ± 1,5 mm). Termopilul are o formă șerpuitoare pentru a-și crește rezistența termică longitudinală. Membrana parilenică suspendată este transparentă; culoarea sa roșiatică apare în principal din reflexia luminii. (E) Vedere mărită a camerei de măsurare a parilenei de 3,5 nL (diametru de 200 μm) și a canalelor de conectare (lățime de 35 μm) înconjurate de vid. Camera de reacție se umflă ușor din cauza diferenței de presiune (comparativ cu D) atunci când camera de vid este evacuată.

Aspect microfluidic. Cip microfluidic PDMS controlat pneumatic împerecheat cu microfluidici parilenici pe cipul calorimetru. Stratul de control PDMS (roșu) conține supape și pompe peristaltice. Stratul de curgere PDMS (albastru) este conectat la canalul de parilenă (negru) printr-un SU-8 via. Patru pompe de injecție (care conțin supape cu suprafață mare) sunt construite în colțul din dreapta sus.

Principalele componente calorimetrice, inclusiv camera de măsurare și termometrul, sunt construite pe o membrană subțire, transparentă din polimer parilen-C, așa cum se arată în Fig. 1D. Paralen-C, un membru al seriei de polimeri polilililenici, este utilizat ca material structural al acestei membrane și ca principali componenți microfluidici. În acest dispozitiv, acestea constau din patru canale și camera de reacție/măsurare. Camera este situată în centrul membranei și se conectează la canalele fluidice utilizate pentru injectarea și purjarea probei. Într-un protocol tipic de măsurare, două soluții diferite de probă sunt injectate în cameră din două canale separate. După măsurare, soluția tampon dintr-un al treilea canal spală camera, iar conținutul său este evacuat printr-un al patrulea canal.

În dezvoltarea unui calorimetru pe bază de cipuri, este atât critic, cât și provocator să creăm o capacitate mică de căldură a dispozitivului relativă la cea a eșantionului în sine. Depunerea unică în fază de vapori a parilenei îi permite să formeze straturi foarte subțiri, conforme. Structurile microfluidice de parilenă din dispozitivul nostru au pereți cu grosimea de μ2-μm, care permit o reducere foarte semnificativă a capacității de căldură a dispozitivului comparativ cu cea a implementărilor anterioare cu calorimetru cu cip închis. Paralenul este, de asemenea, un material izolant excelent, care oferă o îmbunătățire suplimentară substanțială a izolației termice a camerei de calorimetrie.

Arhitectura dispozitivului nostru permite controlul variabil al volumului de injecție a probei prin închiderea secvențială a patru supape PDMS adiacente pentru a facilita pomparea peristaltică. Fiecare supapă permite injectarea reproductibilă a unui volum fluidic de 700 pL cu o precizie de ~ 50-pL. Protocolul operațional general al calorimetrului poate fi modificat cu ușurință prin înlocuirea sistemului microfluidic PDMS cu o varietate de modele alternative. Interfața microfluidică PDMS-parilenă permite integrarea ușoară a funcțiilor calorimetrului cu alte forme de dispozitive de laborator pe cip.

Conductivitatea termică scăzută a parilenei reduce semnificativ pierderile de căldură din dispozitivele noastre până la un nivel comparabil cu cel al celor mai bune calorimetre cu cipuri cu cameră deschisă demonstrate până în prezent. Am obținut o îmbunătățire suplimentară a izolației termice a camerei de reacție printr-o combinație de încapsulare sub vid și fără cip (Fig. 1 B și C). Această configurație se dovedește crucială pentru obținerea unei sensibilități maxime în dispozitivele cu cameră închisă, bazate pe cip, având în vedere raportul ridicat dintre suprafață și volum. Într-adevăr, pentru dispozitivele de parilenă prezentate aici,> 90% din pierderea de căldură la presiunea ambiantă este prin aer. Paralenul are o permeabilitate la gaz foarte scăzută și o rezistență mecanică ridicată, iar aceste proprietăți ne permit să aplicăm vid peste pereții microfluidici subțiri. Tabelul 1 oferă o comparație a conductanței termice a calorimetrelor noastre cu cameră închisă de parilină încapsulată în vid cu calorimetrele de ultimă generație pe bază de cipuri deschise și închise.

Calorimetre pe bază de cipuri și comerciale

Incapsularea în vid cuprinde două regiuni. Regiunea de deasupra membranei parilenice (spațiul de vid de pe cip) este definită de pereții laterali SU-8 și de o lamă de acoperire din sticlă superioară, sigilată calorimetrului cu epoxidic rezistent la UV. Capacul de sticlă facilitează imagistica optică a camerei calorimetrului și a conținutului acestuia (Fig. 1B). Structura SU-8 este modelată pentru a realiza atât planarizarea cât și încapsularea în vid într-un singur pas. Regiunea de sub membrana parilenică (spațiul de vid off-chip) este sigilată în mod convențional cu un inel mic în interiorul unui mandrin de vid personalizat. Cele două spații de vid sunt legate de un orificiu de pompare gravat prin napolitane, așa cum este descris în Fig. 1C.

Elementele individuale ale termocuplului sunt formate din microjuncții Au - Ni. Această alegere a materialelor oferă atât confort de fabricație, cât și zgomot electric 1/f foarte scăzut. Anticipăm că înlocuirea termopilelor noastre Au/Ni cu termopile demonstrate anterior care oferă un coeficient total mai mare Seebeck ar trebui să ofere cu ușurință mai mult decât un ordin de mărire a sensibilității mai mare decât cel realizat aici.

Răspunsul termic al dispozitivului. (A) Răspunsul termopilului la încălzitorul electric local. O funcție pas a puterii electrice (4,0 μW) este aplicată începând cu t = 0. Se menține un vid de 2 mtorr, iar camera de reacție a dispozitivului este umplută cu apă. (B) Simularea răspunsului termic la generarea de căldură în interiorul camerei la 1 μW. Camera de măsurare este cercul. Cele șase linii de întoarcere în U sunt senzorii metalici, iar cele patru dreptunghiuri sunt canale fluidice. (C) Date experimentale ale conductanței termice, G, ale dispozitivului sub vid la diferite presiuni. Formula de potrivire este G (p) = Gres + Gair/(1 +), unde p este presiunea camerei de vid (în torr). Parametrii de montare sunt conductanța termică reziduală (cauzată de parilenă etc.) Gres = 15,5 μW/K, conductanța termică a aerului la 1 atm Gair = 214 μW/K și un factor geometric d = 170 μm. Factorul geometric d este legat de grosimea învelișului de vid și de dimensiunea camerei de măsurare.

În timpul acestor calibrări și a tuturor celorlalte măsurători efectuate, cutia incintei a fost menținută la 20 ° C, cu o stabilitate a temperaturii pe termen lung de 0,5 ° C (în timpul sesiunilor de măsurare ≈1-h). Fluctuațiile de temperatură din mediul înconjurător au un efect negativ asupra preciziei măsurătorilor noastre din cauza apropierii strânse a celor două capete ale termocuplului (± 1 mm); termopilele simt doar gradientul de temperatură dintre cele două capete ale acestora. Mai mult, capetele termopilelor sunt izolate de mediul lor de spațiul de vid. Pentru a stabili o temperatură de reacție specificată, calorimetrul și conținutul său fluidic sunt menținute într-o incintă cu temperatură reglată sub control proporțional-integral-derivat.

Semnătura calorimetrică a hidrolizei ureei prin urează. Răspuns calorimetric după injectarea diferitelor alicote volumetrice de soluție de uree de 50 mM în camera preumplută cu soluție de uree. Patru măsurători separate sunt reprezentate pe același grafic pentru comparație. (Inset) Energia totală a reacției. Linia roșie arată energia așteptată a reacțiilor deduse din căldura reacției, ΔH = 61 kJ/mol.

În aceste măsurători, zgomotul total la ieșirea amplificatorului de citire, referit la intrare (domeniul temperaturii), a corespuns la ± 500 μK pentru dispozitivul actual (SNR 1: 1; lățime de bandă, 0,01-10 Hz). Contribuția dominantă a zgomotului a apărut din amplificatorul de citire în sine; o contribuție secundară a apărut din zgomotul Johnson al termopilului. Contribuția din fluctuațiile termice a calorimetrului a fost și mai mică; le-am estimat ca având o ordine de 10 μK în lățimea de bandă de măsurare. Cu toate acestea, în practică, precizia noastră de măsurare nu se apropie de valoarea limitată a sensibilității amplificatorului, din cauza varianței volumelor de injecție de la rulare la rulare. Pentru a obține performanțe complete de la aceste dispozitive, va fi necesară o metodă de injectare a probelor mai precisă.

Entalpia de măsurare a amestecului. (A) Căldura diluată cu metanol. Un total de 1,4 nL de 14,7% soluție metanol-apă a fost amestecat cu 2,1 nL de apă. (B) Vizualizarea procesului de amestecare difuziv, permisă prin injectarea colorantului roșu în camera umplută cu apă.

Camera de reacție microfluidică izolată sub vid dezvoltată în această lucrare este aplicabilă unei varietăți de abordări bine validate în calorimetrie, incluzând calorimetria de titrare izotermă, calorimetria de scanare diferențială și calorimetria de flux. În Fig. 6, demonstrăm o posibilă configurație pe care am dezvoltat-o ​​pentru a permite calorimetria fluxului. Două canale microfluidice, fiecare izolate pe o membrană de parilenă suspendată, trec peste cele două capete ale termopilei. Această configurație diferențială permite suprimarea nonidealităților fluidice, cum ar fi diluarea și amestecarea. Îmbunătățirea în continuare a sensibilității ar trebui realizată prin utilizarea materialelor termoelectrice cu coeficienți mai mari de Seebeck și optimizarea geometriei suspensiei de parilenă pentru a suprima în continuare pierderile termice reziduale în condiții de vid.

Calorimetru cu debit microscopic. (A) Microfluidici de parilenă și senzor electronic fabricat pe o structură de punte de parilenă. Camera de măsurare este situată la mijlocul podului. (B) Cip calorimetru de debit (3 × 3 cm) cu două camere de măsurare identice (situate în zona transparentă din centru) pentru măsurarea diferențială.

rezumat

Miniaturizarea aduce beneficii semnificative calorimetriei, inclusiv posibilitatea unor analize de înaltă sensibilitate și de mare randament cu consum redus de probă. Eforturile anterioare de a dezvolta senzori calorimetrici miniaturizați au condus la un răspuns mai rapid (rezoluție temporală mai bună), dar în general suferă de o sensibilitate redusă a puterii cauzată de o izolație termică slabă. Acest lucru sa dovedit a fi deosebit de dăunător pentru calorimetrele cu cip miniaturizate cu cameră închisă. În această lucrare, am rezolvat această problemă prin încorporarea microfluidicelor izolate în vid care reduc la minimum pierderile de căldură și sporesc sensibilitatea calorimetrului. Cu aceste dispozitive de primă generație, demonstrăm sensibilitate de .24,2-nW și timp de răspuns de .31,3-s cu 3,5 nL din volumul total al eșantionului. Această performanță îmbunătățită ar trebui să permită o nouă clasă de măsurători calorimetrice automate, rentabile, cu randament ridicat.

Metode

Mai multe etape sunt realizate prin utilizarea RIE. În primul rând, zonele de deschidere ale canalului microfluidic parilenic sunt gravate utilizând o plasmă de O2 la o presiune de 150 mtorr cu o putere de acționare de 140 W. Fotorezistentul din canal este îndepărtat utilizând metil-eter-acetat de propilen glicol. După ce canalele microfluidice sunt curățate, parilena care acoperă componentele electrice este gravată (condiții ca mai sus). În cele din urmă, membrana parilenică este suspendată prin gravarea membranei de sacrificiu SiN din partea din spate; pentru acest pas, se folosește o plasmă CF4 la o presiune de 120 mtorr cu o putere de acționare de 140 W. Pentru dispozitivele de calorimetrie cu flux, se realizează o etapă suplimentară de etilenare a parilenei pentru modelarea podurilor de parilenă suspendate. Etapa finală implică etanșarea regiunii de încapsulare a vidului cu o lamă de sticlă prin utilizarea lipiciului care poate fi vindecat cu UV.

Note de subsol

    1 Cui trebuie să i se adreseze corespondența. E-mail: roukescaltech.edu

Contribuțiile autorului: W.L., W.F. și M.L.R. cercetare proiectată; W.L. cercetări efectuate; B.W.A. a contribuit cu noi reactivi/instrumente analitice; W.L., W.F., B.W.A. și M.L.R. date analizate; și W.L., W.F., B.W.A. și M.L.R. a scris ziarul.

Autorii nu declară niciun conflict de interese.