Подпишитесь на DeepL Pro и переводите документы большего объема. Подробнее на www.DeepL.com/pro. Микрокалориметр: Конструктивные соображения, материалы и примеры М.К. Хау, Ф. Мохд-Ясин, Н.Т. Нгуен PII: DOI: Ссылка: S0167-9317(16)30173-3 doi: 10.1016/j.mee.2016.03.050 MEE 10233 Будет опубликован в: Дата поступления в продажу: 23 октября 2015 г. Дата пересмотра: 22 марта 2016 г. Дата принятия: 23 марта 2016 г. Пожалуйста, цитируйте эту статью как: M.K. Khaw, F. Mohd-Yasin, N.T. Nguyen, Микрокалориметр: Конструктивные соображения, материалы и примеры, (2016), doi: 10.1016/j.mee.2016.03.050 Это PDF-файл неотредактированной рукописи, которая была принята к публикации. В качестве услуги для наших клиентов мы предоставляем эту раннюю версию рукописи. Перед публикацией в окончательном виде рукопись будет подвергнута редактированию, набору и проверке полученного пробного варианта. Пожалуйста, обратите внимание, что в процессе подготовки могут быть обнаружены ошибки, которые могут повлиять на содержание, и к ним относятся все юридические оговорки, которые применяются к журналу. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Доступно онлайн: www.sciencedirect.com РУ КО ПИ СЬ Микрокалориметр: Конструктивные соображения, материалы и примеры M. К. Кхау, Ф. Мохд-Ясин* и Н. Т. Нгуен Квинслендский центр микро- и нанотехнологий, Университет Гриффита, Натан, 4111, Австралия Аннотация ИН Я ТА Я В этом обзоре рассматриваются конструктивные особенности, которые применяются при разработке высокочувствительного, миниатюрного и высокопроизводительного микрокалориметра. К основным факторам относятся реакционная камера, теплоизоляция, обработка жидкостей, методы смешивания и определение температуры. Миниатюризация является ключевым фактором для работы с образцами меньшего объема в диапазоне от нанолитра до пиколитра, что стало возможным благодаря развитию материалов и технологий изготовления. Рассматриваемые материалы включают кремний, нитрид кремния, парилен-С, ПММА, ПДМС, SU8 и полимид. Материалы сравниваются по размерам, стоимости, биосовместимости, химической стойкости и термическим свойствам. Наконец, мы приводим список работ по всему миру и их вклад, которые продемонстрировали прототипы микрокалориметров с высокой теплоизоляцией, точными возможностями микрофлюидической обработки, быстрым смешиванием жидкостей и высокой пропускной способностью. Этот обзор открывает широкие перспективы и дает представление тем, кто работает над созданием микрокалориметров, энтальпийных массивов, микрофлюидных биосенсоров, термодатчиков и микромиксеров. 1. Введение ПР Ключевые слова: калориметр, микрокалориметр, термодатчик, массив энтальпий, биодатчик Калориметрия - это аналитическая наука, определяющая изменение теплоты в системе с окружающей с р е д о й . Калориметрические приборы измеряют количество тепла, переданного объекту или от него. Это важный инструмент для характеристики термодинамики химических реакций в образце. Микрокалориметр - это миниатюрный калориметр, позволяющий регистрировать изменения температуры небольшого объема образца в области от нанолитров (nL) до пиколитров (pL). Для того чтобы воспользоваться этой возможностью, исследователи обычно используют массив микрокалориметров, состоящий из нескольких параллельно расположенных микрокалориметров. Эта система обладает такими преимуществами, как высокая производительность измерений, портативность и низкое энергопотребление [1,2]. * Корреспондирующий автор. Адрес электронной почты: f.mohd-yasin@griffith.edu.au. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 2 РУ КО ПИ СЬ Одно из потенциальных применений - фармацевтическая промышленность, где массив микрокалориметров может быть использован на ранних стадиях процесса открытия лекарств из малых молекул, также известного как открытие лекарств на основе фрагментов (FBDD). Детальная термодинамическая характеристика необходима для отбора кандидатов в лекарственные препараты. С помощью микрокалориметра можно определить, соответствует ли тепло, выделяемое при связывании малых молекул (лекарственных кандидатов) с белками-мишенями (заболеваниями), предполагаемым метаболическим путям. Возможно также обнаружение неизвестных реакций. Такую систему иногда называют энтальпийной решеткой. Она способна тестировать десятки тысяч химических соединений, при этом значительно сокращая время скрининга. Еще одно преимущество заключается в стоимости. Биологические образцы могут быть очень дорогими и часто недоступны или невоспроизводимы в больших количествах [1,2]. Один из прототипов энтальпийной решетки представлен в четвертом разделе данного обзора. Калориметрические измерения можно классифицировать по изменению температуры (адиабатические или изопериболические), компенсации мощности (изотермические) и теплопроводности. Микрокалориметр с изменением температуры - это самый прямой способ измерения тепла. Датчик температуры регистрирует тепло, выделяемое (или поглощаемое) в результате химической реакции образцов в реакционной камере. Регистрируемый калориметрический сигнал - это температура реакционной камеры как функция времени. С помощью соответствующей электрической или химической калибровки можно определить энергетический эквивалент реакционной камеры. Измеренное изменение температуры преобразуется в изменение тепла путем умножения энергетического эквивалента микрокалориметра (в кал/К) на измеренное изменение температуры (в К) [3]. ИН Я ТА Я В микрокалориметре с компенсацией мощности контроллер нагревателя поддерживает постоянную температуру реакционной камеры. Когда в микрокалориметре происходит химическая реакция, контроллер нагревателя фиксирует разницу температур и подает мощность, чтобы вернуть камеру к исходной температуре. Зарегистрированное изменение мощности (мккал/сек) сохраняется как функция времени. Изменение тепловой мощности рассчитывается путем интегрирования изменения мощности нагревателя за время измерения. В микрокалориметре с теплопроводностью управляемый теплоотвод поддерживает постоянную температуру в реакционной камере. Теплоотвод соединен с датчиками теплового потока. Когда температура изменяется в результате химической реакции, датчики теплового потока генерируют напряжение, пропорциональное изменению температуры. ПР Данный обзор посвящен эволюции и современным разработкам, материалам и технологиям миниатюрных и высокопроизводительных микрокалориметров. Во втором разделе обсуждаются конструктивные аспекты. Рассматриваются некоторые проблемы и задачи. Также рассматриваются некоторые методы смешивания и объединения. В третьем разделе рассматриваются материалы, используемые в конструкции микрокалориметра. К ним относятся кремний (Si), нитрид кремния (Si N34 ), парилен-С, полиметилметакрилат (ПММА), полидиметилсилоксан (ПДМС), SU-8 и полиимид. Также обсуждается сравнение материалов с точки зрения механической стабильности, биосовместимости с биохимическими образцами, химической стойкости и термических свойств материала. В четвертом разделе собран список прототипов микрокалориметров и выделены несколько примеров, обеспечивающих отличную теплоизоляцию, эффективную работу с микрофлюидами, быстрое смешивание жидкостей и высокую пропускную способность. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 3 2. Конструктивные соображения При разработке микрокалориметра следует учитывать пять основных компонентов: реакционную камеру, теплоизоляцию, обработку жидкостей, включая методы смешивания, и температурные датчики. Эти компоненты могут быть интегрированы в один прототип. 2.1. Реакционная камера ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ Микрокалориметр построен на основе мембраны как основного конструктивного и теплоизоляционного компонента (рис. 1). В качестве материала для мембраны часто выбирают тонкую пленку с низкой теплоемкостью. Мембрана поддерживается ободом из кремния или нержавеющей стали. Для измерения температуры термометр встраивается в мембрану и помещается под реакционную камеру. Образцы доставляются и перемешиваются в реакционной камере. Рисунок 1: Иллюстрация типового микрокалориметра [4]. ПР Реакционные камеры можно разделить на две категории: открытые [5-10] и закрытые [11-17], как показано на рисунке 2. Ключевое различие заключается в способе передачи жидкости. В конфигурации с открытой камерой капли образца непосредственно подаются в камеру с помощью микропипетки или струйного устройства. В закрытой конфигурации камеры для подачи образца жидкости используются микрофлюидические каналы. Обычные микрофлюидические каналы часто бывают громоздкими и используются для герметизации реакционной камеры. Полимерные тонкопленочные микрофлюидические каналы микромашинно соединяются с реакционной камерой, что дает преимущество в миниатюризации и лучшей теплоизоляции. Микрокалориметр также можно охарактеризовать по способу доставки и обработки образцов. С у щ е с т в у е т три типа: микрокалориметр периодического действия, проточный и сканирующий микрокалориметр. В микрокалориметрах периодического действия или титрования [8,18] в реакционную камеру помещается определенное количество образца и измеряется изменение его температуры. Поэтому микрокалориметры, основанные на этом подходе, используют открытую реакционную камеру. Они хорошо подходят для измерения теплоты реакции связывания белка с лигандом, ферментативной активности и химической смеси. С другой стороны, проточные микрокалориметры [11,13-15] используют закрытые реакционные камеры из-за необходимости использования микрофлюидических каналов для подачи непрерывного потока образцов. Это подходит для непрерывного мониторинга химических соединений или выделения тепла живыми организмами в режиме реального времени. Сканирующие микрокалориметры, ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 4 или более известный как дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК) [19-22] измеряет изменение теплоемкости образца путем сканирования температуры. В этом третьем подходе разница в количестве тепла, необходимого для повышения температуры образца и эталона, измеряется как функция температуры. Это важно для исследования внутренней структуры или стабильности образцов в их исходном состоянии. ДСК необходимо проводить в закрытой камере, чтобы избежать испарения образца при нагревании. РУ КО ПИ СЬ Микропипетка Образе ц термометр (a) Прямая точечная съемка Конфигурация открытой камеры ПР ИН Я ТА Я Объемная инкапсуляция Входн ой канал для жидкос ти выход термометр (b) Обычные микрофлюидные Конфигурация закрытой камеры Микрофлюидный канал Встроенный термометр (b) Тонкопленочные микрофлюидики Конфигурация закрытой камеры Рисунок 2: Два типа реакционных камер: открытая и закрытая [2] ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 5 2.2. Теплоизоляция Теплоизоляция защищает тепло реакции от нежелательного тепла окружающей среды. В случае микрокалориметра реакционная камера подвержена значительным потерям тепла из-за большего отношения поверхности к объему. Кроме того, образец небольшого объема выделяет очень малое количество тепла, которое необходимо измерить. РУ КО ПИ СЬ Четыре способа передачи тепла в реакционной камере - это теплопроводность, испарение, конвекция и излучение. Кондукция является доминирующим режимом для всех микрокалориметров. Путь теплопроводности в реакционной камере включает в себя воздух, мембрану и электрические провода в схеме датчика температуры [2]. Потеря тепла с поверхности образца в окружающий воздух является основным путем теплопередачи в микрокалориметре. Этот тип теплопотерь составляет более 90 % от общей теплопроводности. Одним из решений для минимизации теплопроводности является использование вакуумной камеры. Однако вакуум эффективен только для твердых образцов. Жидкие образцы в вакууме будут нести значительные потери массы из-за испарения [2]. Эту проблему можно решить с помощью микрофлюидного канала, встроенного в вакуум [11]. Существуют также микрокалориметры, включающие систему тепловой защиты [9] с использованием материалов с низкой теплопроводностью [11,13], к которым относятся полидиметилсилоксан (PDMS), полиметилметакрилат (PMMA), парилен-С, SU-8 и полиимид. ТА Я Выбор материала и конструкции мембраны важен для повышения теплоизоляции и, следовательно, чувствительности устройства. Чувствительность в данном контексте означает способность измерять фактическое тепло, выделяемое образцами, без учета теплового влияния окружающей среды. Сравнение материалов по их тепловым свойствам подробно рассматривается в разделе 3. Электрический провод, используемый в некоторых устройствах для измерения температуры, например в мосте Уитстоуна, также обеспечивает потерю тепла, которую можно устранить, уменьшив сечение электрических проводов. ПР ИН Я Испарение образца более очевидно в микрокалориметрах с открытой камерой из-за отсутствия физического ограничения. В случае закрытой камеры дополнительная микрофлюидная структура помогает предотвратить испарение. К сожалению, микрофлюидные конструкции обладают большей теплопроводностью по отношению к окружающей среде и имеют большую теплоемкость устройства по сравнению с конфигурацией с открытой камерой. Микрокалориметры с микроканалами часто отливают из PDMS [13,14] или вытравливают на подложках из объемного Si или SiO2 . Большая теплоемкость структуры будет поглощать тепло от образца малого объема за счет теплопроводности, что приведет к снижению чувствительности [2]. Потери тепла за счет конвекции и излучения обычно не столь значительны, как проводимость и испарение в микрокалориметрах, и поэтому не будут подробно рассматриваться в данном обзоре [2]. 2.3. Обработка жидкостей Обработка жидкостей включает в себя методы переноса образца в реакционную камеру. В конфигурации с открытой камерой образцы подаются непосредственно в реакционную камеру через микропипетки или струйно. Объем капель образца составляет от нескольких мк л до сотен п л. Обычно используются микропипетки [7-9], но они относительно медленнее струйных и не могут обрабатывать несколько образцов одновременно. Струйные аппараты [10] могут доставлять порционные образцы и работают очень быстро. Однако скорость приводит к воздействию большой кинетической энергии на образцы, которые выделяют дополнительное тепло. В конфигурации с открытой камерой неточность измерения температуры из-за испарения и кинетической энергии образцов часто снижает производительность системы. В конфигурации с закрытой камерой образцы транспортируются по микрофлюидическим каналам. Развитие микрофлюидных технологий позволяет встраивать микроканалы и камеры в мембрану. В качестве примера можно привести работу Ли и др [11]. Их прототип обрабатывал жидкость объемом 700 п л с ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 6 ТА Я РУ КО ПИ СЬ с точностью до 50 пл. Это стало возможным благодаря сопряжению микрофлюидических каналов из парилена на калориметрическом чипе с микрофлюидическим чипом PDMS с пневматическим управлением для точного контроля реакции. На рисунке 3(a) показан обзор микрофлюидической схемы контрольного чипа PDMS и калориметрического чипа. На рисунке 3(b) показан вид сверху микрофлюидного канала на мембране. Управляющий чип PDMS содержит клапаны и перистальтические насосы (красные) для нагнетания воздуха для пневматического контроля. Проточный слой PDMS (синий), содержащий образец жидкости, был соединен с париленовым каналом (черный) мембраны через канал SU-8. Инжекция образца осуществлялась путем последовательного закрытия соседних клапанов для облегчения перистальтической прокачки жидкости. Парилен, ПДМС и SU-8 - полимерные материалы, часто используемые в микрокалориметрах, и они б у д у т рассмотрены в разделе 3. (a) (b) ИН Я Рисунок 3: (a) Схема микрофлюидной системы, (b) Изображение реакционной камеры и микрофлюидного канала, полученное с помощью оптической микроскопии [11]. ПР Перемешивание образцов - еще один важный момент при работе с жидкостями. Капли образца должны быть полностью перемешаны за определенный промежуток времени, чтобы обеспечить чувствительное определение полного выделения тепла. Другими словами, время смешивания капель должно быть меньше, чем постоянная времени теплоотдачи калориметра. Поэтому необходимо быстрое перемешивание двух жидкостей. Существует два основных типа смешивания: активное и пассивное. Активное смешивание основано на использовании энергии внешних источников для увеличения скорости смешивания, в то время как пассивное смешивание основано на улучшении геометрических характеристик для достижения той же цели. К активному смешиванию можно отнести электростатическое смешивание [5,6], смешивание капель с помощью магнита [23,24] и магнитное микроперемешивание [25,26]. 2.3.1 Смешивание капель с электростатическим приводом Электростатический метод [5,6] использует два электрода для перемешивания капель. Капли разных образцов по отдельности микропипеткой помещаются в реакционную камеру. Когда капли приходят в тепловое равновесие, два образца сливаются и смешиваются изотермически. Разделение доставки и смешивания образцов позволяет минимизировать потери тепла при доставке. Дополнительная неопределенность может возникнуть из- за дополнительного тепла от кинетической энергии образцов во время доставки. На рисунке 4 приведен конкретный пример электростатического смешивания, выполненный Торресом и другими [5]. На нем показано электростатическое слияние двух капель воды объемом 500 нл в три разных момента времени. Сначала неокрашенную каплю помещали асимметрично через зазор 50 мкм (на рисунке показан белой линией) между двумя электродами на поверхности устройства. Напряжение 100 В подавалось через зазор, чтобы переместить каплю до тех пор, пока она не ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 7 покрывали одинаковое количество обоих электродов. Окрашенная капля помещалась в зону этого движения и сливалась с первой каплей при контакте. Через 33 мс после подачи напряжения капли сливались. К 66 мс образовалась окончательная смесь. Сочетание электростатической силы и инерционной силы, вызванной поверхностным натяжением движущейся капли, обеспечило тщательное перемешивание образца. РУ КО ПИ СЬ Для устранения влияния разбавления тепла и колебаний окружающей среды используется дифференциальный Измерение температуры может быть включено с помощью смежных эталонных капель для смешивания. Эталонные капли должны быть выбраны равными по объему измеряемым каплям. При такой схеме температура исследуемых образцов измеряется относительно эталонных образцов. Рисунок 4: Электростатическое смешивание и слияние двух капель [5] ТА Я 2.3.2 Смешивание капель с магнитным приводом ПР ИН Я Магнитоуправляемое перемешивание [23,24] использует для перемешивания капли со встроенными магнитными частицами. Сайт Движение этой капли контролируется внешним магнитом. На рисунке 5 показан пример такого смешивания концепция, которая была реализована в al. [24]. Покрытая маслом капля с магнитными был работе Long et бусинами переносились на предметное стекло с помощью точного пипетирования. Сначала взвешенные магнитные частицы в водной капле притягивались к дну капли под действием магнитной силы. Магнит перемещался в горизонтальной плоскости с помощью моторизованного линейного столика. Частицы следовали за магнитом до тех пор, пока две капли не сливались. Затем магнит и слившиеся капли перемещались вперед-назад для смешивания двух жидкостей. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 ПР ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ 8 Рисунок 5: Смешивание и слияние двух капель с помощью магнитного привода [24]. 2.3.3 Перемешивание с магнитным приводом Магнитное микроперемешивание [25,26] представляет собой комбинацию электростатического перемешивания и магнитного перемешивания. На рисунке 6 показана установка для магнитного перемешивания, выполненная Де Брюйкером и другими [25]. Стержень для перемешивания был изготовлен с помощью лазерной микрообработки. Стержень помещался на поверхность мембраны микрокалориметра. Мешалка дистанционно активировалась внешним вращающимся магнитным полем в нижней части ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 9 ТА Я РУ КО ПИ СЬ мембрана. Первоначально капли сливались путем электростатического перемешивания, как описано в разделе 2.3.1. После того как обе капли сливались, включалась мешалка. Ось вращения магнита располагалась под мешалкой, чтобы уменьшить нежелательное боковое движение мешалки и предотвратить разбрасывание капель. В данной конкретной работе время перемешивания составляло 1,8 с и 2,1 с при скорости перемешивания 600 об/мин и 1500 об/мин, соответственно. Было обнаружено, что скорость перемешивания дает минимальную разницу во времени перемешивания. Однако разница в Сайт Время перемешивания с использованием магнитного привода и электростатического привода было большим и составило 29,5 с при использовании последнего метода [25]. ИН Я Рисунок 6: Перемешивание двух капель с помощью магнитного и электростатического приводов [25]. 2.3.4 Резюме по смешиванию ПР Перемешивание, вызванное исключительно слиянием капель, приводит к довольно большому времени перемешивания, поскольку преобладает диффузионное перемешивание. Однако этот метод все еще пригоден и адекватен для простого измерения общей энтальпии некоторых биологических реакций. Для того чтобы провести полную кинетическую характеристику ферментативных реакций, их капли необходимо тщательно перемешать, чтобы существенно сократить время перемешивания. В этом случае предпочтительно использовать активное перемешивание. Как правило, методы смешивания должны соответствовать нескольким требованиям для достижения большей точности: • Смешивание капель должно происходить за время, меньшее, чем постоянная времени теплового рассеяния калориметра. • Метод смешивания не должен приводить к дифференциальному повышению температуры смешиваемых капель или вызывать дифференциальный нагрев вихревых потоков в жидкостях. • Метод смешивания должен быть масштабируемым. • Метод смешивания не должен влиять на биохимию и реакции капель. • Метод смешивания не должен мешать работе термодатчика. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 10 2.4. Определение температуры Температурный датчик обеспечивает точное измерение температуры в реакционной камере. Чувствительность микрокалориметра определяется минимальной тепловой энергией или мощностью, регистрируемой термометром. Два распространенных типа термометров - термисторы и термобатареи. Эти термометры обычно изготавливаются непосредственно на мембране. Обсуждаются три типа датчиков температуры, которые были реализованы в микрокалориметрах: термистор, термобатарея и резистивно-температурный детектор. РУ КО ПИ СЬ Термисторы - это термочувствительные резисторы, которые определяют изменение температуры и преобразуют ее в электрическое сопротивление. Основное преимущество заключается в том, что термисторы могут измерять абсолютную температуру. Поскольку термисторы используют электрический ток для измерения сопротивления, необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать перегрева, который приведет к повышению температуры в реакционной камере. Этот эффект нагрева должен быть компенсирован при калибровке калориметра. Существует три известные работы [5,6,27], в которых в микрокалориметрах использовались термисторы. ИН Я ТА Я С другой стороны, термобатареи измеряют разницу температур между двумя областями на стыках термопар и преобразуют ее в электрическое напряжение. Хотя они могут измерять только относительную температуру, термобатареи обладают более высокой чувствительностью, чем термисторы, из-за отсутствия электрического тока. Благодаря этому фактору термобатареи обладают превосходным коэффициентом подавления синфазного теплового шума и нулевым смещением. Многие группы, разрабатывающие микрокалориметры, использовали термобатареи в своих разработках [8,10-13,15,17,28-33]. Чувствительность и отношение сигнал/шум могут быть дополнительно улучшены за счет увеличения числа последовательно соединенных термопар. Однако массив микрокалориметров вынужден ограничивать количество термопар, которые могут быть размещены, из-за ограниченного размера. Тем не менее, термопары более пригодны для миниатюризации по сравнению с термисторами. Термопары могут быть сформированы из биметаллических микропереходов. Они допускают низкотемпературную обработку, что подходит для полимерных мембран. Распространенными биметаллическими микропереходами являются Au-Ni [7,11], Cr/Ni [15], Ti/Bi [10] и Cr/Cu [32]. ПР Даваджи и другие [16] использовали резистивный температурный детектор (RTD) в своем микрокалориметре. RTD работает по тому же принципу, что и термистор. Разница между ТДС и термистором заключается в том, что в первом случае используется металлический элемент, такой как платина, никель, медь и никель-железо. В термисторе обычно используются керамические или полупроводниковые устройства. Преимуществами датчика температуры RTD по сравнению с термопарами являются высокая точность, стабильность, линейность, воспроизводимость и простота изготовления [16]. Однако термисторы обычно достигают более высокой точности в меньшем диапазоне температур по сравнению с ТДС. Чувствительность прибора показывает, насколько точно он способен определять изменения при изменении температуры исследуемого образца. Как правило, чувствительность микрокалориметра повышается, если он может избежать потерь тепла в реакционной камере. Кроме того, датчик температуры, встроенный в микрокалориметр, должен быть способен точно измерять тепловую реакцию, минимизируя нежелательные шумы. Несколько групп [5,6,15,16,33] снизили уровень синфазного шума своих прототипов, применив дифференциальную схему. Температурные датчики на измерительной и опорной зонах соединены в конфигурации моста Витстоуна. При использовании этой схемы измеренное изменение температуры реакции образца сравнивалось с эталонной температурой. Этот метод позволяет эффективно устранить сопутствующие фоновые дрейфы температуры, поскольку эталонный образец взаимодействует с окружающей средой и подвергается смешиванию одновременно с тестируемым образцом. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 11 3. Материал для микрокалориметров Таблица 1: Сравнение материалов, обычно используемых в микрокалориметрах, с точки зрения методов обработки, механической стабильности, биосовместимости и химической стойкости Si Si3N4 Репрезентативные методы обработки [34] Микрообработка сыпучих материалов и поверхности микрообработка Низкое Давление Химический Осаждение из паровой фазы низкого давления (LPCVD) PDMS Реплика формовки [37] ПММА Лазерная обработка, литье под давлением, x-. лучевая экспозиция, горячее тиснение Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) Парилен-С SU-8 Полиимид Фотолитография [39], спиновое покрытие [13] Нанесение покрытия методом спиннинга, экструзия Механическая стабильность Высокий Молодые модуль упругости, но хрупкий Превосходная устойчивость к механическим нагрузкам Низкий модуль Юнга Биосовместимость Хорошо [35] Химические сопротивление Превосходно Хорошо [36] Превосходно РУ КО ПИ СЬ Материалы Высокий Модуль Молодые Превосходно Не для органических растворители Хорошо [38] Высокая Превосходно Превосходно механичес кая прочность. Низкий модуль Юнга Превосходно Превосходно Превосходно Превосходно Высокая прочность на разрыв Превосходно ПР ИН Я ТА Я Таблица 2: Тепловые свойства материалов, широко используемых в микрокалориметрах, в сравнении с другими материалами. [2,40] Материалы Теплопроводность (Вт/м.К) Удельная теплота (Дж/г.К) Si 130 0.71 Si3N4 15-30 0.70 PDMS 0.15 1.46 ПММА 0.19 - 0.24 1.46 - 1.47 Парилен-С 0.082 0.71 SU-8 0.20 1.50 Полиимид 0.12 1.09 Вода 0.58 4.20 Воздух 0.026 1.01 Нержавеющая сталь, 11-16 0.45-0.55 аустенитный класс Золото 315 0.13 Никель 90.7 0.44 В таблице 1 перечислены материалы-кандидаты для изготовления микрокалориметров, методы их обработки, механическая стабильность, биосовместимость и химическая стойкость. В таблице 2 приведены их тепловые свойства. Как правило, мембрана микрокалориметра изготавливается из кремния (Si) или других кремниевых диэлектрических материалов, таких как нитрид кремния (Si N34 ). Эти материалы имеют относительно высокую теплопроводность, малую толщину (несколько сотен нм) и относительно хорошую изоляцию. Кроме того, нитрид кремния (Si N34 ) обладает превосходными механическими свойствами и хорошей устойчивостью к коррозии и окислению. Он также хорошо сопротивляется термическим нагрузкам благодаря низкому коэффициенту теплового расширения. Однако с точки зрения теплоизоляции полимерные мембраны лучше. Полимеры, которые обычно используются в микрокалориметрах, - это PDMS, PMMA, парилен-С, SU-8 и полиимид. Эти полимерные мембраны имеют примерно в 100 раз меньшую теплопроводность и в 10 раз большую толщину, чем материалы на основе Si [2]. Использование полимеров в качестве материала подложки для микрокалориметра также обусловлено необходимостью внедрения микрофлюидики в качестве компонента автоматизированной обработки жидкостей. Промышленные и научные круги, работающие в области микрофлюидики, уже давно увидели потенциальные преимущества использования полимеров, в основном благодаря их гибкости, низким ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 12 стоимость единицы площади и упрощенные производственные процессы. По сравнению с кремнием и стеклом полимер дешевле. Например, лист ПММА размером 1,5 мм × 1,2 м × 1,8 м стоит около 17 долларов, а кремниевая пластина диаметром 100 мм - 14 долларов. Сравнение стоимости упрощается, если не учитывать затраты на резку и фрезеровку листа ПММА в форму пластины [41]. Кроме того, обработка некоторых полимеров может осуществляться вне чистых помещений, что снижает стоимость изготовления. РУ КО ПИ СЬ Многие полимерные материалы обладают большей механической деформацией текучести, чем кремний. Хотя кремний с большим модулем Юнга механически прочен, этот материал относительно хрупок. Полимеры могут выдерживать большую степень деформации и обеспечивают химические, структурные и биологические функциональные возможности, как показано в таблице 1. Далее описаны некоторые типы полимеров. Парилен - это разновидность полимеров, полученных химическим осаждением из пара (пксилилена). Парилен - отличный материал для теплоизоляции реакционной камеры. Традиционно парилен используется для создания изоляционного термопластичного покрытия на электронных устройствах. Недавно этот материал был использован в качестве подложки для мембраны микрокалориметра [11]. Чаще всего для микрокалориметра выбирают парилен-С. Он может быть сформирован в очень тонкие и конформные слои, обладает хорошей химической стойкостью и биосовместимостью, что благоприятно для работы с жидкостями [42]. Низкая теплопроводность парилена снижает потери тепла. Кроме того, у парилена очень низкая газопроницаемость и высокая механическая прочность, что позволяет использовать его для вакуумной инкапсуляции [11]. ИН Я ТА Я PDMS - это полимер, состоящий из неорганической силоксановой основы с метильными группами, присоединенными к кремнию [37]. Он является потенциальным материалом для компонентов обработки жидкости. Он стал популярным материалом для микрофлюидики [15] [11,32] благодаря своей низкой стоимости, прочности, отличной биосовместимости [43], непроницаемости для жидкостей, оптической прозрачности и способности выдерживать очень большие деформации без ухудшения характеристик. PDMS можно подвергать микрообработке с помощью литья по репликам. Лучше всего воспроизводить структуры на поверхности формы, так как она может быть отлита при комнатной температуре и термически отожжена. Несмотря на эти преимущества, ПДМС страдает от набухания в большинстве органических растворителей. Набухание делает невозможным использование органических растворителей в устройствах из ПДМС. ПР ПММА - термопластичный полимер, обладающий высокой механической прочностью, высокой химической стойкостью, высоким модулем Юнга и низким удлинением при разрыве. Он является одним из самых твердых термопластов, обладает низкой влагопоглощающей способностью и хорошей устойчивостью к экстремальным изменениям температуры. ПММА можно подвергать микрообработке с помощью рентгеновского облучения, горячего тиснения, лазерной обработки и литья под давлением. В недавнем сравнении механического поведения ПММА и ПДМС [44] последний превосходит первый по максимальной деформации. В микрокалориметре ПММА обычно используется в качестве конструкционного материала для реакционной камеры, а ПДМС - для микрофлюидических каналов. Негативный толстопленочный фоторезист SU-8 был запатентован компанией IBM в 1989 году [45]. Этот фоторезист состоит из смолы EPON SU-8 (от Shell Chemicals) в качестве основного компонента. SU-8 используется в качестве структурного материала в устройствах типа "лабораторияна-чипе" [46], а также в микрокалориметрах [13,15]. Он обладает хорошей химической совместимостью и биосовместимостью и подходит для покрытия конформных поверхностей для защиты. Например, SU-8 использовался для планаризации поверхностей микрокалориметра с париленовой мембраной [11]. Стоимость фотолитографии на SU-8 значительно ниже, чем у других методов, таких как процесс LIGA (для других фоторезистов) и глубокое реактивное ионное травление (для кремния). ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 13 4. Примеры дизайна В этом разделе мы расскажем о нескольких конструкциях микрокалориметров, в которых недавно были достигнуты значительные успехи. Ключевыми факторами улучшения являются хорошая теплоизоляция, эффективный механизм перемещения жидкости и продуманное использование материалов и процессов изготовления. Также рассматриваются различные конструкции реакционных камер (закрытые и открытые) и тепловых детекторов (термобатареи, термисторы и другие датчики температуры). ПР ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ Исследователи из Исследовательского центра Пало-Альто и Исследовательского института Скриппса [5,6,47,48] разработали энтальпийный массив. Это был микрокалориметр в формате массива, позволяющий параллельно измерять такие параметры термодинамики, как энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса и стехиометрия, что обещает Более высокая пропускная способность при Массив энтальпии требует небольшого объема субскрининге FBDD. Этот образца в микролитров и увеличивает производительность за счет параллельного выполнения измерений. Использование технологии микрообработки позволило миниатюризировать температурные детекторы, что значительно сократило объем образца. Объем пробы был уменьшен со 190 мкл [49] при использовании коммерческого изотермического титровального калориметра (ИТК) до 500 нл [5] капли в этих микрокалориметрах. Система состояла из массива с отдельные тепловые детекторы, построенные на теплоизолирующей тонкой пластиковой мембране. На рисунке 7 показан отдельный детектор, а на рисунке 8 - весь массив. Рисунок 7: Схематическое изображение индивидуального детектора [5]. Он имеет две чувствительные области: эталонную и измерительную камеры. Две реагирующие капли помещаются в левую область, а непрореагировавшие - в правую. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 РУ КО ПИ СЬ 14 Рисунок 8: Массив энтальпии с 72 отдельными детекторами [48] ИН Я ТА Я Каждый отдельный детектор был изготовлен на тонкопленочной мембране, подвешенной над полостью в жесткой опорной пластине из нержавеющей стали. Тип мембраны варьировался от полиимида [5] до полиэтиленнафталата (ПЭН) [6]. Две прямоугольные области теплового равновесия состояли из медных островков толщиной 9 мкм, вытравленных на дне мембраны. В этой конструкции использовался дифференциальный метод измерения температуры. Таким образом, устройство имело две одинаковые чувствительные области: эталонную и измерительную камеры. Сенсорные области были закрыты электрическими контактными площадками, расположенными на верхней части опорной пластины. Каждая область содержала два термистора. ПР Термисторы в обеих областях были подключены к мосту Уитстоуна для уменьшения синфазного шума. Терморезисторы были изготовлены из n+ аморфной кремниевой пленки [5], нанесенной методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) с использованием силана и фосфина. Как показано на рис. 9, для минимизации испарения капель массив был закрыт полимерным слоем. Чувствительность устройства улучшилась почти на порядок, когда материал термистора был заменен с аморфного кремния [5] на оксид ванадия [6] и, наконец, на использование кантилеверных микрозондов [50]. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ РУ КО ПИ СЬ 15 Рисунок 9: Схематическое изображение индивидуального детектора с полимерным колпачком для минимизации испарения капель [6]. ПР ИН Я ТА Я Во время измерения две капли образцов объемом 250 нл первоначально объединялись электростатически на чувствительной области. Одновременно две одинаковые непрореагировавшие капли сливались на эталонной чувствительной области, чтобы обеспечить эталон для дифференциального измерения. После слияния регистрировалось выходное напряжение моста Уитстоуна. Сигнал усиливался аналоговым усилителем, а затем поступал на каскад оцифровки и детектирования с блокировкой. Весь процесс манипулирования массивом, нанесения капель, инкапсуляции детектора, контактирования и регистрации данных осуществлялся с помощью полностью автоматизированной измерительной системы. Благодаря этому методу любое повышение температуры в исследуемом образце будет точно зарегистрировано. Все измерения проводились при фиксированной температуре. Время теплового рассеяния системы составляло 1,3 с. Каждый детектор в энтальпийной решетке был способен обнаружить изменение температуры на 500 мкК с отношением сигнал/шум 6 [5]. Зирен и другие [14] разработали первое поколение кремниевых микрокалориметров со встроенными термобатареями. Термобатарея состояла из 4 х 118 термопар BiSb/Sb. Общая тепловая мощность (или коэффициент Зеебека [51]) термобатареи составляла 63,7 мВ/К. Микрокалориметр состоял из кремниевого чипа и чипа из ПММА, которые были соединены химически инертным эпоксидным клеем. Два слоя нитрида кремния толщиной 1 мкм были нанесены на кремниевый чип для формирования отдельно стоящей мембраны. Тонкая пленка платины и Алюминий осаждался для формирования нагревателей для калибровки и контактных площадок, соответственно. Термопары были изготовлены таким образом, что активные переходы располагались на свободно стоящей мембране. Контрольные спаи находились в тесном контакте с кремниевой рамкой. Благодаря такому методу мембрана максимально увеличивала тепловое сопротивление между горячим и холодным спаями. Кремний также выполнял функцию теплоотвода. Хотя этот микрокалориметр достиг довольно высокой чувствительности, его мембрана демонстрировала химическую и механическую нестабильность. Baier et al. [13] нашли решение для улучшения химической и механической стабильности предыдущей работы Zieren et al. Ранее мембрана из нитрида кремния вызывала микротрещины в структуре. Они покрыли мембрану из нитрида кремния тонкими слоями эпоксидного фоторезиста SU8. Нанесение SU-8 на мембрану стабилизировало механическую и химическую устойчивость микрокалориметра. Резист SU-8, нанесенный на кремний ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 16 Был протестирован в различных кислотах и щелочах с pH 5-10 и не обнаружил коррозии в течение более чем 1000 часов. ПР ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ На рисунке 10 показана интеграция двойной термопилы и микроканала, выполненная Кваком и др [32]. Система с двумя термобатареями эффективно измеряет тепло, выделяемое биохимической реакцией, и контролирует тепловое равновесие микрокалориметра в режиме самокомпенсации, не требуя адиабатического состояния. Эта система была изготовлена из хрома (Cr) и меди (Cu) с использованием метода МЭМС (процесс 1). Микроканал был изготовлен с использованием полимеров (процесс 2). Термобатареи были встроены в кремниевую пластину с помощью традиционной техники мокрого химического травления и фотолитографии. Были подготовлены четыре фотомаски для изготовления электродов из Cr и Cu, а также микроканалов SU-8 и PDMS. Рисунок 10: Изготовление двойной термопилы (процесс 1) и микроканала (процесс 2) [32]. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 17 ПР ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ Ванг и другие [15] представили на рисунке 11 тепловой биосенсор МЭМС, специально разработанный для обнаружения выделения тепла при ферментативных реакциях с растворами глюкозы или других метаболитов. Ферменты сначала иммобилизовывались на микробисерных шариках, упакованных в реакционные камеры, прежде чем в камеру поступал раствор глюкозы. Калориметр был интегрирован с микрофлюидными каналами на полимерной основе. Реакционные камеры были основаны на отдельно стоящих полимерных мембранах с низкой теплопроводностью и окружены воздушными зазорами, встроенными в микрофлюидическую систему. Такая конструкция позволила увеличить тепловую изоляцию и уменьшить тепловую массу камер. Рисунок 11: МЭМС тепловой биосенсор: (a) вид сверху по линии A-B (b) поперечное сечение [15]. Сюй и другие [9] представили систему для доставки капель химических реактивов размером менее одного литра, избегая их испарения через два слоя тепловой защиты. Авторы модифицировали коммерческий тонкопленочный термобатарейный инфракрасный датчик с подвесной мембраной и встроили его в свой микрокалориметр. Капля объемом 50 нл сначала помещалась непосредственно на датчик, а затем вторая капля через микропипетку с помощью инжектора капель, приводимого в движение давлением. Тепловые экраны были сконструированы следующим образом. Медная трубка служила внешним экраном для обеспечения хорошего электрического и конвекционного экранирования. Стеклянный предметный столик служил внутренним экраном для защиты ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 18 датчик от внешнего теплового шума. Испарения образца удалось избежать, поместив микропипетку через крошечное отверстие в покровном стекле, которое было закрыто каплей масла. Поверхностное натяжение предотвращало утечку масла в реакционную камеру. ТА Я РУ КО ПИ СЬ Ли и др. [11] разработали микрокалориметр с закрытой камерой, как показано на рис. 12, с высокой чувствительностью и возможностью точной обработки образцов. Превосходная теплоизоляция была достигнута за счет создания вакуумного кожуха на кристалле. В этой работе также сочеталось использование ПДМС и парилена-С. Парилен-С использовался для создания измерительных и вакуумных камер. Гибкий ПДМС использовался для создания микрофлюидных клапанов и насосов и был соединен с каналами и камерами из парилена-С, что позволило вводить образцы объемом менее 1 нл. Чип был способен характеризовать тепловую реакцию гидролиза мочевины, а также энтальпию смеси воды с метанолом. Рисунок 12: Калориметр с вакуумной инкапсуляцией на кристалле [11] ПР ИН Я В более поздней работе Даваджи и др. [16] создали микрокалориметр с закрытой реакционной камерой. Реакционная камера была изготовлена методом 3D-микрообработки с использованием анизотропного мокрого химического травления. Этот метод изготовления позволил отказаться от процессов склеивания пластин за пределами кристалла благодаря прямой интеграции теплового нагревателя и датчика температуры в реакционную камеру, как показано на рис. 13. Для изготовления реакционной камеры использовалась мембрана из нитрида кремния, а сама камера была подвешена на узких тросах. Эта мембрана уменьшала тепловую массу и повышала чувствительность системы. Каждый микрокалориметр имел две одинаковые камеры для дифференциальных измерений. Образцы передавались через два микрофлюидных входа. Нагреватель и датчик температуры находились на противоположных сторонах реакционной камеры. Такая конфигурация обеспечивала эффективную связь и детектирование тепла от тепловых элементов. Прототип измерял теплопроводность и удельную теплоту жидких образцов. На приборе можно проводить и другие анализы без перенастройки, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) [22-25], термоволновой анализ (ТВА) [52,53], метод 3-ω [54] и титрование [8,18]. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ ТА Я РУ КО ПИ СЬ 19 ИН Я Рисунок 13: 3D микрокалориметр с подвесной реакционной камерой [16] ПР Даваджи и др. [16] также разработали процесс нанесения рисунка на металл для размещения датчиков температуры и нагревателей на 3D-структурах камеры SiN. Процесс начался с симметричного тиснения змеевидных канавок на обеих сторонах пластины с помощью двустороннего выравнивателя масок. Затем слои SiN и диоксида кремния (SiO2 ) были вытравлены методом реакционного ионного травления (RIE) и изотропного мокрого травления буферизованным оксидом (BOE) соответственно. Затем обнаженный кремний был подрезан с помощью политравления. Затем для защиты обнаженного кремния с помощью химического осаждения из паровой фазы при низком давлении (LPCVD) была нанесена пленка SiN. На рисунке 14 показан технологический процесс 3D-микрофабрикации микрокалориметра. На рис. 14(a) показаны шаблоны электродов (нагревателя и датчика), которые уже были напечатаны симметрично на обеих сторонах пластины, как описано в предыдущем процессе. Затем на нижней поверхности пластины было проведено первое анизотропное мокрое химическое (KOH) травление (рис. 14(b)) для создания реакционных камер. На рис. 14(c) второе KOH-травление было применено для создания подвесных тройников SiN на верхней поверхности. Наконец, компоненты датчика и нагревателя были интегрированы в устройство путем сплошного осаждения никеля с обеих сторон пластины. После металлизации полиимидная пленка была использована для герметизации нижней части пластины, чтобы сформировать полностью закрытую реакционную камеру. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 ИН Я ТА Я РУ КО ПИ СЬ 20 Рисунок 14: Технологический процесс 3D-микрофабрикации калориметрического устройства [16]. ПР В таблицах 3 и 4 приведены результаты предыдущих работ по микрокалориметру. В таблице 3 приведено сравнение работ по типу камеры, механизмам подачи жидкости, типам тестируемой жидкости, выходному разрешению и энергетической чувствительности. В табл. 4 приведено сравнение работ по материалу мембраны, температурному сенсору, материалу для работы с жидкостью и новизне конструкции. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 21 Таблица 3: Сравнение работ в литературе по типам камер и обработке жидкости с их результатами. [11] Реакционная камера Разрешение Источник Обработка Испытательна Т е п л о п жидкостей я жидкость роводн Тип Объем, нл Сила, Практика ость, nW энергия, нДж мкВт/К 3.5 Чжан и др. al [12] закрытый 15 закрытый Baier et. al [13] Ванг и др. закрытый [15] Даваджи закрытый и др. al [16] 4.2 10 5000 300 105 0.94 30 1000 4 -6 1500 50 5000 0.87 - 1.2 NA NA NA NA 1000 50 750 NA 1000 50 750 NA 100 13 100 NA 30000 50 5000 NA 170 22 132 2.90(4) 90 150 500 6.34 - - - - 6000 10000 800 Шприцевой насос 200 открыть 500 Рехт и др. [6] Johannessen et. al[7] открыть 500 открыть 0.75 Lerchner et. al[8] открыть Сюй и др. [9] Чансел или и др [10] открыть 5-50 открыть 0.05 Закрытый 70000 Глюкоза оксидаза Микрофлюидика Вода, глицерин, ионные жидкости Электростатиче Белковый ское слияние лиганд связующее взаимодейст вие Электростатический Протеин, объединение Фермент Микропипетка Реагенты, коричневые адипоциты, ка рдиомиоцит ы, митохондрии Микропипетка Реакции , катализи руемые фермент ами (мочеви на и глюкоза) Микропипетка Протеин ИН Я Torres et. al [5] 6000 ПР Квак и другие [17] 16 Многоуровнев Мочевина, вода с ая метанол микрофлюидика ом Шприцевой насос Глюкозоокс идаза, каталаза, уреаза на глюкозе, перекись водорода и мочевина Шприцевой насос Фермент РУ КО ПИ СЬ закрытый ТА Я Lee et. al [11] Чувствит ельность к мощност и (В/Вт) NA Струйная печать Микрофлюидн ый канал Энтальпии в химическо й или биологичес кой реакция Энзим субстратная реакция ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 22 Таблица 4. Сравнение работ в литературе по типам материалов, используемых при производстве мембраны, термометрии, микрофлюидике и отличительности работ. Источник Материал мембраны Тип Термометрия Материал Парилен-С Термобатаре я Au/Ni Zhang et. al [12] Si3N4-SiO2- Термобатаре я Байер и др. [13] Wang et. al [15] SU-8 на Si золото (Cr/Au) на поликремнии p-типа Тонкая пленка BiSb/Sb Cr/Ni Davaji et. al [16] Нитрид кремния Торрес и др. [5] Рехт и другие [6] Полиимид Лерхнер и др. [8] Xu et. al [9] Никель ТА Я Встроенная резистивна я температур а детектор (RTD) Термистор ИН Я SU-8 на Si Термобатаре я Термобатаре я ПММА PDMS NA Аморфный кремний Оксид ванадия (VOx) NA NA Основан на технологии SU-8. Каждый Система состоит из 118 термопар. Реакционная камера заполнена микробусинами для иммобилизации ферментов, реагирующих с глюкозой. Камеры расположены на отдельно стоящей платформе SU-8 Полимерная мембранная основа. Воздушные зазоры для повышения теплоизоляции. Изготовление 3D реакционной камеры со встроенным нагревателем и датчиком температуры. Может выполнять несколько измерения, включая калориметрию периодического действия и сканирующую калориметрию. Массив энтальпии с 96 микрокалориметр параллельно. Усовершенствование [5] путем замены полимидной мембраны на PEN, и с использованием термобатареи VOx. Датчик температуры состоит из 10 никель-алюминиевых термопар, соединенных последовательно для получения суммарного значения Коэффициент обратной связи 220 мкВ/К. Микрокалориметр на основе чистого кремния. Полиэтилен нафталат (PEN) Термистор SiN Термобатаре я Ni/Au NA Термобатаре я Кремний NA Термобатаре я Кремний (промышленн ый) Ti/Bi NA Двойная система тепловой защиты. NA Cr/Cu PDMS Датчик температуры состоит из 7 термопар Ti/Bi, соединенных последовательно для получения общего коэффициента обратной связи 574 мкВ/К. Температурный датчик состоит из 26 термопар Cr/Cu, соединенных последовательно для получения коэффициента обратной связи 519,2 мкВ/К. ПР Йохан Нессен и другие [7] Si3N4 РУ КО ПИ СЬ Lee et. al [11] Новинки Материал для микрофлюиди ки ПДМС и Комбинация микрофлюидики из парилен парилена-С и PDMS, вакуумная инкапсуляция на кристалле, термобатарея имеет извилистую форму для увеличения продольного термического сопротивления. Пять термопар Au/Ni, соединенных последовательно для получения суммарного сопротивления Коэффициент Зеебека 110 мкВ/К. Pyrex 7740 или Подложка и з пирекса анодно PDMS приклеивается к слою поликремния Si SiO2/Si3N4 Chancellor et. al [10] SiN Термобатаре я Квак и другие [17] Si Термобатаре я ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 23 5. Заключение РУ КО ПИ СЬ В этой обзорной статье мы рассмотрели конструктивные особенности, материалы и некоторые работы, выполненные в прошлом для микрокалориметра. При выборе конструкции необходимо тщательно продумать несколько вариантов, а именно: тип реакционной камеры, теплоизоляцию, обработку жидкости и измерение температуры. Так как объем жидкости переходит в области nL и pL, наблюдается тенденция к использованию микрофлюидных систем активного смешивания с закрытой камерой для уменьшения теплового рассеивания и, следовательно, повышения точности. Что касается изготовления мембраны, то кремний и SiN являются материалами де-факто из-за их более высокой теплопроводности. Однако полимеры, такие как парилен и SU-8, являются новыми кандидатами на использование в конфигурации с закрытой камерой из-за их более высокой теплоизоляции. Термобатарея вместо термистора является предпочтительным выбором для измерения температуры из-за ее более высокой чувствительности. При перемещении и смешивании жидкостей доминирующим материалом является PDMS, а не PMMA, из-за его большей степени деформации. Наконец, мы провели обзор предыдущих работ. В таблицах 3 и 4 представлены результаты наших исследований. Мы заметили единую тенденцию во всех этих прототипах микрокалориметров - более высокий уровень интеграции методов проектирования, материалов и процессов изготовления для создания микрокалориметров с более высокой точностью при небольших затратах (биологические образцы). Благодарности Ссылки [6] [7] [8] [9] [10] [11] J. Voldman, M.L. Gray, M.A. Schmidt, Annual review of biomedical engineering 1 (1999) 401. L.J. Lee W, Koh J, Nanobiosensors in Disease Diagnosis 2012:1 (2012) 17. M.W. Freyer, E.A. Lewis, Method Cell Biol 84 (2008) 79. T. Maskow, H. Harms, Engineering in Life Sciences 6 (2006) 266. Ф.Э. Торрес, П. Кун, Д. Де Брюйкер, А.Г. Белл, М.В. Волкин, Э. Пеетерс, Дж.Р. Уильямсон, Г.Б. Андерсон, Г.П. Шмитц, М.И. Рехт, С. Швайзер, Л.Г. Скотт, Дж.Х. Хо, С.А. Элрод, П.Г. Шульц, R.A. Lerner, R.H. Bruce, Proc Natl Acad Sci U S A 101 (2004) 9517. М.И. Рехт, Д. Де Брюйкер, А.Г. Белл, М.В. Волкин, Э. Пеетерс, Г.Б. Андерсон, А.Р. Колаткар, M.W. Bern, P. Kuhn, R.H. Bruce, F.E. Torres, Anal. Biochem. 377 (2008) 33. E.A. Йоханнесен, J.M. Уивер, Л. Бурова, П. Свобода, P.H. Кобболд, J.M. Купер, Аналитическая химия 74 (2002) 2190. J. Лерхнер, А. Вольф, Г. Вольф, Журнал термического анализа и калориметрии 57 (1999) 241. J. Xu, R. Reiserer, J. Tellinghuisen, J.P. Wikswo, F.J. Baudenbacher, Аналитическая химия 80 (2008) 2728. E. Chancellor, J. Wikswo, F. Baudenbacher, M. Radparvar, D. Osterman, Applied physics letters 85 (2004) 2408. W. Ли, В. Фон, Б.В. Аксельрод, М.Л. Роукс, Труды Национальной академии наук ПР [1] [2] [3] [4] [5] ИН Я ТА Я Работа выполнена при поддержке Квинслендского центра микро- и нанотехнологий (QMNC) и Инженерной школы Гриффита. Эта работа была частично выполнена на квинслендском узле Австралийской национальной фабрики (Australian National Fabrication Facility), компании, созданной в рамках Национальной стратегии совместной исследовательской инфраструктуры для обеспечения нано- и микрофабрикатов для австралийских исследователей. ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 24 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] РУ КО ПИ СЬ [18] ТА Я [15] [16] [17] ИН Я [14] (2009). Y. Zhang, S. Tadigadapa, Biosensors and Bioelectronics 19 (2004) 1733. V. Baier, R. Födisch, A. Ihring, E. Kessler, J. Lerchner, G. Wolf, J. Köhler, M. Nietzsch, M. Krügel, Sensors and Actuators A: Physical 123 (2005) 354. M. Zieren, R. Willnauer, J. Köhler, Проточный чип-калориметр на основе BiSb/Sbтонкопленочных термобатарей с термосилой 64 мВ/К, Micro Total Analysis Systems 2000. Springer, 2000, p. 71. L. Wang, D.M. Sipe, Y. Xu, Q. Lin, Microelectromechanical Systems, Journal of 17 (2008) 318. B. Davaji, H.J. Bak, W.-J. Chang, C.H. Lee, Biomicrofluidics 8 (2014) 034101. B.-S. Kwak, B.-S. Kim, H.-H. Cho, J.-S. Park, H.-I. Jung, Биокалориметр на основе двойной микротермопилы для фермент-субстратной реакции, Датчики, 2007 IEEE. IEEE, 2007, p. 740. H. Huth, A. Minakov, C. Schick, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 44 (2006) 2996. Г. Хёне, В. Хеммингер, Х.-Й. Фламмерсхайм, Дифференциальная сканирующая калориметрия, Шпрингер, 2003. P. Gill, T.T. Moghadam, B. Ranjbar, Journal of biomolecular techniques: JBT 21 (2010) 167. H. Esfandyarpour, R. Davis, Integrated Differential Nanocalimeter with On-Chip Microfluidic Multiplexing for High Throughput Genomics and Proteomics, 14th Int'l Conf. on Miniaturized Systems for Chem. and Life Sciences, p. 3. E. Журавлев, К. Шик, Thermochimica Acta 505 (2010) 1. T. Roy, A. Sinha, S. Chakraborty, R. Ganguly, I.K. Puri, Phys. Fluids. 21 (2009) 027101. Z. Long, A.M. Shetty, M.J. Solomon, R.G. Larson, Lab. Chip. 9 (2009) 1567. D. De Bruyker, M.I. Recht, A.A.S. Bhagat, F.E. Torres, A.G. Bell, R.H. Bruce, Lab. Chip. 11 (2011) 3313. L.-H. Lu, K.S. Ryu, C. Liu, Microelectromechanical Systems, Journal of 11 (2002) 462. B. Xie, M. Mecklenburg, B. Danielsson, O. Öhman, P. Norlin, F. Winquist, Analyst 120 (1995) 155. J. Lerchner, A. Wolf, G. Wolf, V. Baier, E. Kessler, M. Nietzsche, M. Krugel, Thermochimica Acta 445 (2006) 144. L.M. Ahmad, B. Towe, A. Wolf, F. Mertens, J. Lerchner, Sensor Actuat B-Chem 145 (2010) 239. J. Лерхнер, Т. Маскоу, Г. Вольф, Химическая инженерия и обработка: Интенсификация процессов 47 (2008) 991. L. Wang, B. Wang, Q. Lin, Sensors and Actuators B: Chemical 134 (2008) 953. B. Kwak, B. Kim, H. Cho, J. Park, H. Jung, Microfluidics and Nanofluidics 5 (2008) 255. K. Verhaegen, K. Baert, J. Simaels, W. Van Driessche, Sensors and Actuators A: Physical 82 (2000) 186. C. Liu, Advanced Materials 19 (2007) 3783. G. Voskerician, M.S. Shive, R.S. Shawgo, H.v. Recum, J.M. Anderson, M.J. Cima, R. Langer, Biomaterials 24 (2003) 1959. A. Neumann, T. Reske, M. Held, K. Jahnke, C. Ragoss, H. Maier, Journal of Materials Science: Материалы в медицине 15 (2004) 1135. N.-T. Nguyen, BioMEMS and Biomedical Nanotechnology, Springer, 2007, p. 93. J.R. Dorvee, A.M. Derfus, S.N. Bhatia, M.J. Sailor, Nat Mater 3 (2004) 896. A. Дель Кампо, К. Грайнер, Журнал микромеханики и микроинженерии 17 (2007) R81. С.К. Митра, С. Чакраборти, Руководство по микрофлюидике и нанофлюидике: изготовление, реализация и применение, CRC Press, 2011. T.-Q. Truong, N.-T. Nguyen, International Journal of Computational Engineering Science 4 (2003) 667. H.-S. Noha, Y. Huangb, P.J. Hesketha, Sensors and Actuators B: Chemical 102 (2004) 78. M.C. Bélanger, Y. Marois, Journal of biomedical materials research 58 (2001) 467. ПР [12] [13] ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 25 [54] РУ КО ПИ СЬ [51] [52] [53] ТА Я [49] [50] ИН Я [46] [47] [48] H. Bourbaba, B. Mohamed, Energy Procedia 36 (2013) 231. H. Lorenz, M. Despont, N. Fahrni, N. LaBianca, P. Renaud, P. Vettiger, Journal of Micromechanics and Microengineering 7 (1997) 121. P. Abgrall, V. Conedera, H. Camon, A.M. Gue, N.T. Nguyen, Electrophoresis 28 (2007) 4539. F.E. Torres, M.I. Recht, J.E. Coyle, R.H. Bruce, G. Williams, Curr Opin Struc Biol 20 (2010) 598. D. Де Брюйкер, М. Волкин, М. Рехт, Ф. Торрес, А. Белл, Г. Андерсон, Э. Пеетерс, А. Колаткар, П. Кун, Р. Брюс, Энтальпийные массивы на основе МЭМС, Конференция по твердотельным датчикам, исполнительным механизмам и микросистемам, 2007. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2007. International. IEEE, 2007, p. 1757. T. Instruments. D. Де Брюйкер, М. Рехт, Ф.Е. Торрес, А.Г. Белл, Р.Х. Брюс, Тепловые микрозонды из оксида ванадия для нанокалориметрии, Сенсоры, 2010 IEEE. IEEE, 2010, p. 2358. A. Van Herwaarden, P. Sarro, Sensors and Actuators 10 (1986) 321. T. Hashimoto, J. Morikawa, T. Kurihara, T. Tsuji, Thermochimica acta 304 (1997) 151. J. Morikawa, C. Leong, T. Hashimoto, T. Ogawa, Y. Urata, S. Wada, M. Higuchi, J.-i. Takahashi, Journal of Applied Physics 103 (2008) 063522. D.G. Cahill, Review of Scientific Instruments 61 (1990) 802. ПР [44] [45] ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ Имя автора / Procedia Economics and Finance 00 (2012) 000-000 26 Графическая аннотация Таблица 3: Сравнение работ в литературе по типам камер и обработке жидкости с их результатами. [11] Источник Реакционная камера Тип Объем, нл Чжан и др. al [12] закрытый 15 Baier et. [13] Wang et. al [15] закрытый Теплоп роводн ость, мкВт/К 10 Чувствит ельность к мощност и (В/Вт) NA 300 105 0.94 10000 30 1000 4 -6 1500 50 5000 0.87 - 1.2 NA NA NA NA 1000 50 750 NA 1000 50 750 NA 100 13 100 NA 30000 50 5000 NA 170 22 132 2.90(4) 90 150 500 6.34 - - - - 5000 6000 Многоуровнев Мочевина, вода с ая метанол микрофлюидика ом Шприцевой насос Глюкозоокс идаза, каталаза, уреаза на глюкозе, перекись водорода и мочевина Шприцевой насос Фермент закрытый 800 Шприцевой насос Даваджи и др. al [16] закрытый 200 Torres et. al [5] открыть 500 Рехт и др. [6] Johannessen et. al[7] открыть 500 Lerchner et. al[8] открыть 6000 Сюй и др. [9] Чансел или и др [10] открыть 5-50 открыть 0.05 Закрытый 70000 Квак и другие [17] 0.75 ПР открыть Разрешение Сила, Практика nW энергия, нДж 16 4.2 РУ КО ПИ СЬ 3.5 Глюкоз ооксид аза Микрофлюидика Вода, глицерин, ионные жидкости Электростатиче Белковый ское слияние лиганд связующее взаимодейст вие Электростатический Протеин, объединение Фермент Микропипетка Реагенты, коричневые адипоциты, ка рдиомиоциты, митохондрии Микропипетка Реакции , катализи руемые фермент ами (мочеви на и глюкоза) Микропипетка Протеин ТА Я закрытый Испытательна я жидкость ИН Я Lee et. al [11] Обработка жидкостей Струйная печать Микрофлюидн ый канал Энтальпии в химическо й или биологичес кой реакция Энзим субстратная реакция ПРИНЯТАЯ РУКОПИСЬ 27 Таблица: Сравнениеработ в литературе по типам материалов, используемых при производстве мембраны, термометрии, микрофлюидике и отличительности работ. Источник Материал мембраны Тип Термометрия Материал Парилен-С Термобатаре я Au/Ni Zhang et. al [12] Si3N4-SiO2- Термобатаре я Байер и др. [13] Wang et. al [15] SU-8 на Si золото (Cr/Au) на поликремнии p-типа Тонкая пленка BiSb/Sb Cr/Ni Davaji et. al [16] Нитрид кремния Торрес и др. [5] Рехт и другие [6] Полиимид Lerchner et. al [8] Xu et. al [9] Встроенны й резистивн ый детектор температур ы (RTD) Термистор Никель ПММА PDMS NA ИН Я ТА Я SU-8 на Si Термобатаре я Термобатаре я Аморфный кремний Оксид ванадия (VOx) NA Полиэтилен нафталат (PEN) Термистор SiN Термобатаре я Ni/Au NA Термобатаре я Термобатаре я Термобатаре я Кремний NA Кремний (реклама) Ti/Bi NA Cr/Cu PDMS ПР Йохан Нессен и другие [7] Si3N4 РУ КО ПИ СЬ Lee et. al [11] Новинки Материал для микрофлюиди ки ПДМС и Комбинация микрофлюидики из парилен парилена-С и PDMS, вакуумная инкапсуляция на кристалле, термобатарея имеет извилистую форму для увеличения продольного термического сопротивления. Пять термопар Au/Ni, соединенных последовательно для получения суммарного сопротивления Коэффициент Зеебека 110 мкВ/К. Pyrex 7740 или Подложка и з пирекса анодно PDMS приклеивается к слою поликремния Si SiO2/Si3N4 Chancellor et. al [10] SiN Квак и другие [17] Si Термобатаре я NA NA Основан на технологии SU-8. Каждый Система состоит из 118 термопар. Реакционная камера заполнена микробусинами для иммобилизации ферментов, реагирующих с глюкозой. Камеры расположены на отдельно стоящей платформе SU-8 Полимерная мембранная основа. Воздушные зазоры для повышения теплоизоляции. Изготовление 3D реакционной камеры со встроенным нагревателем и датчиком температуры. Может выполнять несколько измерений, включая пакетные и сканирующая калориметрия. Массив энтальпии с 96 микрокалориметр параллельно. Усовершенствование [5] путем замены полимидной мембраны на PEN, и с использованием термобатареи VOx. Температурный датчик состоит из 10 никель-алюминиевых термопар, которые соединенных последовательно для получения общего коэффициента обратной связи 220 мкВ/К. Микрокалориметр на основе чистого кремния. Двойная система тепловой защиты. Датчик температуры состоит из 7 термопар Ti/Bi, соединенных последовательно для получения общего коэффициента обратной связи 574 мкВ/К. Температурный датчик состоит из 26 термопар Cr/Cu, соединенных последовательно для получения коэффициента обратной связи 519,2 мкВ/К.