تجميع وتوصيف برنامج تشغيل خارجي لتوليد تدفق تذبذبي دون كيلو هرتز في القنوات الدقيقة
Summary
يوضح البروتوكول طريقة ملائمة لإنتاج تدفق تذبذبي توافقي من 10-1000 هرتز في القنوات الدقيقة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق ربط غشاء مكبر الصوت الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر بالقناة الدقيقة بطريقة معيارية.
Abstract
أصبحت تكنولوجيا الموائع الدقيقة أداة قياسية في المختبرات الكيميائية والبيولوجية لكل من التحليل والتوليف. يتم حقن العينات السائلة ، مثل الكواشف الكيميائية ومزارع الخلايا ، في الغالب من خلال تدفقات ثابتة يتم تشغيلها عادة بواسطة مضخات المحاقن أو الجاذبية أو القوى الشعرية. نادرا ما يتم النظر في استخدام التدفقات المتذبذبة التكميلية في التطبيقات على الرغم من مزاياها العديدة كما هو موضح مؤخرا في الأدبيات. ومن المرجح أن يكون العائق التقني الكبير أمام تنفيذ التدفقات المتذبذبة في القنوات الدقيقة مسؤولا عن عدم اعتماده على نطاق واسع. غالبا ما تكون مضخات المحاقن التجارية المتقدمة التي يمكنها إنتاج تدفق تذبذبي أكثر تكلفة ولا تعمل إلا على ترددات أقل من 1 هرتز. هنا ، يتم عرض تجميع وتشغيل جهاز منخفض التكلفة قائم على مكبر الصوت من نوع التوصيل والتشغيل يولد تدفقا تذبذبيا في القنوات الدقيقة. يمكن تحقيق تدفقات تذبذب توافقية عالية الدقة بترددات تتراوح بين 10-1000 هرتز إلى جانب التحكم المستقل في السعة. يمكن تحقيق سعات تتراوح بين 10-600 ميكرومتر في جميع أنحاء نطاق التشغيل بأكمله ، بما في ذلك السعات > 1 مم عند تردد الرنين ، في قناة صغيرة نموذجية. على الرغم من أن تردد التذبذب يتم تحديده بواسطة مكبر الصوت ، إلا أننا نوضح أن سعة التذبذب حساسة لخصائص السوائل وهندسة القناة. على وجه التحديد ، تنخفض سعة التذبذب مع زيادة طول دائرة القناة واللزوجة السائلة ، وفي المقابل ، تزداد السعة مع زيادة سمك أنبوب مكبر الصوت وطوله. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتطلب الجهاز أي ميزات سابقة ليتم تصميمه على القناة الدقيقة ويمكن فصله بسهولة. يمكن استخدامه في وقت واحد مع تدفق ثابت تم إنشاؤه بواسطة مضخة حقنة لتوليد تدفقات نابضة.
Introduction
يعد التحكم الدقيق في معدل تدفق السائل في القنوات الدقيقة أمرا بالغ الأهمية لتطبيقات المختبر على رقاقة مثل إنتاج القطيرات والتغليف1 ، وخلط2،3 ، وفرز الجسيمات العالقة ومعالجتها4،5،6،7. الطريقة المستخدمة في الغالب للتحكم في التدفق هي مضخة حقنة تنتج تدفقات ثابتة عالية التحكم تستغني إما عن حجم ثابت من السائل أو معدل تدفق حجمي ثابت ، وغالبا ما يقتصر على التدفق أحادي الاتجاه بالكامل. تشمل الاستراتيجيات البديلة لإنتاج تدفق أحادي الاتجاه استخدام رأس الجاذبية8 أو القوى الشعرية9 أو التدفق الكهرواسمي10. تسمح مضخات المحاقن القابلة للبرمجة بالتحكم ثنائي الاتجاه المعتمد على الوقت في معدلات التدفق والأحجام المستغنة، ولكنها تقتصر على أوقات الاستجابة التي تزيد عن 1 ثانية بسبب القصور الذاتي الميكانيكي لمضخة المحقنة.
يفتح التحكم في التدفق على نطاقات زمنية أقصر عددا كبيرا من الاحتمالات التي يتعذر الوصول إليها بسبب التغيرات النوعية في فيزياء التدفق. أكثر الوسائل العملية لتسخير فيزياء التدفق المتنوع هذه هي من خلال الموجات الصوتية أو التدفقات المتذبذبة مع فترات زمنية تتراوح بين 10-1-10-9 ثانية أو 10 1-10 9 هرتز. يتم الوصول إلى الطرف الأعلى من نطاق التردد هذا باستخدام الموجات الصوتية السائبة (BAW؛ 100 kHz-10 MHz) والموجة الصوتية السطحية (SAW؛ 10 MHz-1 GHz). في جهاز BAW نموذجي ، يتم اهتزاز الركيزة بأكملها وعمود السائل عن طريق تطبيق إشارة الجهد عبر الكهرباء الضغطية المستعبدة. وهذا يتيح إنتاجية عالية نسبيا ولكنه يؤدي أيضا إلى التسخين بسعات أعلى. ومع ذلك ، في أجهزة SAW ، تتأرجح الواجهة الصلبة السائلة عن طريق تطبيق الجهد على زوج من الأقطاب الكهربائية المتداخلة الأرقام المنقوشة على ركيزة كهرضغطية. نظرا للأطوال الموجية القصيرة جدا (1 ميكرومتر – 100 ميكرومتر) ، يمكن معالجة الجسيمات الصغيرة التي تصل إلى 300 نانومتر بدقة بواسطة موجة الضغط المتولدة في أجهزة SAW. على الرغم من القدرة على التعامل مع الجسيمات الصغيرة ، تقتصر طرق SAW على معالجة الجسيمات المحلية لأن الموجة تضعف بسرعة مع المسافة من المصدر.
في نطاق التردد kHz 1-100 ، عادة ما يتم توليد تدفقات تذبذبية باستخدام عناصر بيزو مرتبطة بقناة دقيقة متعددة الميثيل سيلوكسان (PDMS) فوق تجويف مصمم16,17. يتصرف غشاء PDMS فوق التجويف المزخرف مثل غشاء يهتز أو أسطوانة تضغط على السائل داخل القناة. في نطاق التردد هذا ، يكون الطول الموجي أكبر من حجم القناة ، لكن سعات سرعة التذبذب صغيرة. الظاهرة الأكثر فائدة في نظام التردد هذا هي توليد تدفقات التدفق الصوتية / اللزجة ، والتي يتم تصحيحها تدفقات ثابتة ناتجة عن عدم الخطية المتأصلة في تدفق السوائل مع القصور الذاتي18. عادة ما تظهر تدفقات التدفق الثابت على شكل دوامات مضادة للدوران عالية السرعة بالقرب من العقبات أو الزوايا الحادة أو الفقاعات الصغيرة. هذه الدوامات مفيدة لخلط 19,20 وفصل جسيمات بحجم10 ميكرومتر عن تيار التدفق 21.
بالنسبة للترددات في نطاق 10-1000 هرتز ، فإن سرعة المكون المتذبذب والتدفق اللزج الثابت المرتبط به كبيران ومفيدان. يمكن استخدام التدفقات المتذبذبة القوية في نطاق التردد هذا للتركيز بالقصور الذاتي22 ، وتسهيل توليد القطيرات23 ، ويمكن أن تولد ظروف تدفق (أرقام Womersley) التي تحاكي تدفق الدم للدراسات في المختبر . من ناحية أخرى ، تعد تدفقات التدفق مفيدة للخلط ومحاصرة الجسيمات والتلاعب. يمكن أيضا تحقيق التدفق المتذبذب في هذا النطاق من الترددات باستخدام عنصر بيزو مرتبط بالجهاز كما هو موضح أعلاه23. هناك عقبة كبيرة أمام تنفيذ التدفقات المتذبذبة من خلال عنصر بيزو المستعبدين وهي أنها تتطلب تصميم الميزات مسبقا. علاوة على ذلك ، فإن عناصر السماعة المستعبدة غير قابلة للفصل ، ويجب ربط عنصر جديد بكل جهاز24. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة تقدم ميزة كونها مضغوطة. طريقة بديلة هي استخدام صمام الترحيل الكهروميكانيكي20. تتطلب هذه الصمامات مصادر ضغط هوائية وبرامج تحكم مخصصة للتشغيل وبالتالي تزيد من الحاجز التقني أمام الاختبار والتنفيذ. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة تمكن من تطبيق سعة الضغط والتردد المحددين.
في هذه المقالة ، يتم وصف بناء وتشغيل وتوصيف طريقة سهلة الاستخدام لتوليد تدفقات تذبذبية في نطاق تردد 10-1000 هرتز في القنوات الدقيقة. توفر هذه الطريقة العديد من المزايا مثل التجميع الفعال من حيث التكلفة ، وسهولة التشغيل ، والاستعداد للتفاعل مع قنوات الموائع الدقيقة القياسية وملحقاتها مثل مضخات المحاقن والأنابيب. بالإضافة إلى ذلك ، مقارنة بالنهج المماثلة السابقة25 ، توفر الطريقة للمستخدم تحكما انتقائيا ومستقلا في ترددات التذبذب وسعاته ، بما في ذلك التعديل بين الأشكال الموجية الجيبية وغير الجيبية. وتتيح هذه الميزات للمستخدمين نشر التدفقات المتذبذبة بسهولة، وبالتالي تيسير الاعتماد على نطاق واسع في مجموعة واسعة من تكنولوجيات وتطبيقات الموائع الدقيقة الموجودة حاليا في مجالي البيولوجيا والكيمياء.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أظهرنا التجميع (انظر الخطوتين الحرجتين للبروتوكول 3 و 4) والتشغيل (انظر الخطوتين الحرجتين للبروتوكول 5 و 6) لجهاز خارجي قائم على مكبر الصوت لتوليد تدفق تذبذبي بترددات تتراوح بين 10 و 1000 هرتز في أجهزة الموائع الدقيقة. مطلوب تتبع الجسيمات لجسيمات التتبع المعلقة لتحديد دقة الحركة التوافقية ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نعرب عن تقديرنا للدعم المقدم والتسهيلات التي يقدمها مختبر النماذج الأولية السريعة التابع لقسم العلوم والهندسة الميكانيكية في جامعة إلينوي لتمكين هذا العمل.
Materials
| Oscillatory Driver Assembly | |||
| Alligator-to-pin wire | Adafruit | 3255 | Small alligator clip to male jumper wire (12) |
| Aux cable | Adafruit | 2698 | 3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m |
| Controller chip | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX) |
| DC adapter | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A regulated switching power adapter |
| Micro-pipette tip | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette tip |
| Silicone sealant | Loctite | 908570 | Clear silicone waterproof sealant (80 ml) |
| Speaker | Drok | 6843996 | 4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker |
| Speaker mount | 3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files | ||
| Speaker-to-tube adapter | 3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files | ||
| Microchannel Manufacture | |||
| Biopsy punch | Miltex | 15110 | Biopsy punch with plunger (1 – 4 mm) |
| Degasser | |||
| Disposable cup | |||
| Disposable spoon | |||
| Glass Slides | VWR Signature | 16004-430 | 3" x 1" pre clean 1 mm thick |
| Mold | Si – SU-8 or 3D printed | ||
| Oven | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS resin and cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g) |
| Polyethylene tubing | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | Polyethylene tubing (PE 60 – PE 200) |
| Razor blades | VWR | 55411-050 | Single edge industrial razor blades |
| RF plasma generator | Electro-Technic Products | BD – 20 | High frequency generator |
| Silicone Mold Release | CRC | 03301 | Food Grade Silicon Mold release (16 oz) |
| Observation and Characterization | |||
| Camera | Edgertronic | SC2+ | |
| Lens | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| Microscope | Nikon | Ti Eclipse manual stage | |
| Needles | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| Syringe | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | Dual syringe programmable syringe pump | |
| Tracer Particles | Spherotech | PP-10-10 | Polystyrene tracer particles 1 um |
References
- Collins, J., Lee, A. P. Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates. Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).
- Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. Microfluidic Mixing: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 12 (5), 3263-3287 (2011).
- Bayareh, M., Ashani, M. N., Usefian, A. Active and passive micromixers: A comprehensive review. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification. 147, 10771 (2020).
- Zhang, S., Wang, Y., Onck, P., den Toonder, J. A concise review of microfluidic particle manipulation methods. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 24 (2020).
- Bayareh, M. An updated review on particle separation in passive microfluidic devices. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification. 153, 107984 (2020).
- Wu, M., et al. Acoustofluidic separation of cells and particles. Microsystems & Nanoengineering. 5, 32 (2019).
- Bhagat, A. A. S., et al. Microfluidics for cell separation. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (10), 999-1014 (2010).
- Mäki, A. J., et al. Modeling and Experimental Characterization of Pressure Drop in Gravity-Driven Microfluidic Systems. ASME Journal of Fluids Engineering. 137 (2), 021105 (2015).
- Safavieh, R., Juncker, D. Capillarics: pre-programmed, self-powered microfluidic circuits built from capillary elements. Lab on a Chip. 13, 4180-4189 (2013).
- Hossan, M. R., Dutta, D., Islam, N., Dutta, P. Review: Electric field driven pumping in microfluidic device. Electrophoresis. 39 (5-6), 702-731 (2018).
- Dincau, B., Dressaire, E., Sauret, A. Pulsatile Flow in Microfluidic Systems. Small. 16 (9), 1904032 (2020).
- Thurgood, P., et al. Tunable Harmonic Flow Patterns in Microfluidic Systems through Simple Tube Oscillation. Small. 16 (43), 2003612 (2020).
- Xia, H. M., Wu, J. W., Zheng, J. J., Zhang, J., Wang, Z. P. Nonlinear microfluidics: device physics, functions, and applications. Lab on a Chip. 21, 1241-1268 (2021).
- Glasgow, I., Aubry, N. Enhancement of microfluidic mixing using time pulsing. Lab on a Chip. 3 (2), 114-120 (2003).
- Zhang, P., Bachman, H., Ozcelik, A., Huang, T. J. Acoustic Microfluidics. Annual Review of Analytical Chemistry. 13, 17-43 (2020).
- Lieu, V. H., House, T. A., Schwartz, D. T. Hydrodynamic Tweezers: Impact of Design Geometry on Flow and Microparticle Trapping. Analytical Chemistry. 84 (4), 1963-1968 (2012).
- Jain, R., Darling, R. B., Lutz, B. Frequency characterization of flow magnitude and phase in resonant microfluidic circuits. Analytical Methods. 9, 5425-5432 (2017).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77, 977 (2005).
- Zhang, C., Guo, X., Brunet, P., Costalonga, M., Royon, L. Acoustic streaming near a sharp structure and its mixing performance characterization. Microfluidics and Nanofluidics. 23 (9), 104 (2019).
- Abolhasani, M., Oskooei, A., Klinkova, A., Kumacheva, E., Günther, A. Shaken, and stirred: oscillatory segmented flow for controlled size-evolution of colloidal nanomaterials. Lab on a Chip. 14, 2309-2318 (2014).
- Thameem, R., Rallabandi, B., Hilgenfeldt, S. Fast inertial particle manipulation in oscillating flows. Physical Review Fluids. 2 (5), 052001 (2017).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Inertial focusing in planar pulsatile flows. Journal of Fluid Mechanics. 921, 1 (2021).
- Geschiere, S. D., et al. Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems. Biomicrofluidics. 6, 022007 (2012).
- Vázquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poiré, E. C., Caballero-Robledo, G. A. Microfluidic flow spectrometer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 077001 (2017).
- Sauret, A., Shum, H. C. Forced generation of simple and double emulsions in all-aqueous systems. Applied Physics Letters. 100, 154106 (2012).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming viscometry of Newtonian liquids in microfluidic devices. Physics of Fluids. 31, 041701 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming flows in viscoelastic liquids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 271, 104143 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 69 (2020).
