Montering og karakterisering av en ekstern driver for generering av under kilohertz oscillatorisk strømning i mikrokanal

Summary

Protokollen demonstrerer en praktisk metode for å produsere harmonisk oscillatorisk strømning fra 10-1000 Hz i mikrokanal. Dette utføres ved å interfacing en datastyrt høyttalermembran til mikrokanal på en modulær måte.

Abstract

Mikrofluidisk teknologi har blitt et standardverktøy i kjemiske og biologiske laboratorier for både analyse og syntese. Injeksjonen av væskeprøver, som kjemiske reagenser og cellekulturer, oppnås hovedsakelig gjennom stabile strømmer som vanligvis drives av sprøytepumper, tyngdekraften eller kapillære krefter. Bruken av komplementære oscillatoriske strømmer vurderes sjelden i applikasjoner til tross for sine mange fordeler som nylig demonstrert i litteraturen. Den betydelige tekniske barrieren for implementering av oscillatoriske strømmer i mikrokanaler er sannsynligvis ansvarlig for mangelen på utbredt adopsjon. Avanserte kommersielle sprøytepumper som kan produsere oscillatorisk strømning, er ofte dyrere og fungerer bare for frekvenser mindre enn 1 Hz. Her demonstreres montering og drift av et rimelig, plug-and-play-type høyttalerbasert apparat som genererer oscillatorisk strømning i mikrokanal. Høy-troskap harmoniske oscillatoriske strømmer med frekvenser fra 10-1000 Hz kan oppnås sammen med uavhengig amplitudekontroll. Amplituder fra 10-600 μm kan oppnås gjennom hele operasjonsområdet, inkludert amplituder > 1 mm ved resonansfrekvensen, i en typisk mikrokanal. Selv om oscillasjonsfrekvensen bestemmes av høyttaleren, illustrerer vi at oscillasjonsamplituden er følsom for væskeegenskaper og kanalgeometri. Spesielt reduseres oscillasjonsamplituden med økende kanalkretslengde og flytende viskositet, og i kontrast øker amplituden med økende høyttalerrørtykkelse og lengde. I tillegg krever apparatet ingen tidligere funksjoner som skal utformes på mikrokanal og er lett avtakbar. Den kan brukes samtidig med en jevn strømning opprettet av en sprøytepumpe for å generere pulsatile strømmer.

Introduction

Den nøyaktige kontrollen av væskestrømningshastigheten i mikrokanal er avgjørende for lab-on-a-chip applikasjoner som dråpeproduksjon og innkapsling¹, blanding ^2,3, og sortering og manipulering av suspenderte partikler ^4,5,6,7. Den overveiende brukte metoden for strømningskontroll er en sprøytepumpe som produserer svært kontrollerte stabile strømmer som dispenserer enten et fast volum væske eller en fast volumetrisk strømningshastighet, ofte begrenset til helt enveis strømning. Alternative strategier for å produsere enveis strømning inkluderer bruk av gravitasjonshode⁸, kapillære krefter⁹ eller elektro-osmotisk strømning¹⁰. Programmerbare sprøytepumper gir mulighet for en tidsavhengig toveis kontroll av strømningshastigheter og dispenserte volumer, men er begrenset til responstider større enn 1 s på grunn av sprøytepumpens mekaniske treghet.

Strømningskontroll på kortere tidsskalaer låser opp en mengde^på 6,11,12,13,14,15 av ellers utilgjengelige muligheter på grunn av kvalitative endringer i flytfysikk. Den mest praktiske måten å utnytte denne varierte strømningsfysikken er gjennom akustiske bølger eller oscillatoriske strømmer med tidsperioder fra ^10-1– ^10-9 s eller 10¹ -10⁹ Hz. Den høyere enden av dette frekvensområdet er tilgjengelig ved hjelp av BAW-enheter (Bulk Acoustic Wave), 100 kHz-10 MHz) og overflateakustikkbølgeenheter (SAW; 10 MHz-1 GHz). I en typisk BAW-enhet vibreres hele substratet og væskekolonnen ved å påføre et spenningssignal over en limt piezoelektrisk. Dette muliggjør relativt høye gjennomstrømninger, men resulterer også i oppvarming ved høyere amplituder. I SAW-enheter oscilleres imidlertid fast væskegrensesnittet ved å påføre spenning på et par interdigiterte elektroder mønstret på et piezoelektrisk substrat. På grunn av de svært korte bølgelengdene (1 μm-100 μm) kan partikler så små som 300 nm nøyaktig manipuleres av trykkbølgen som genereres i SAW-enheter. Til tross for evnen til å manipulere små partikler, er SAW-metoder begrenset til lokal partikkelmanipulering siden bølgen raskt demper med avstand fra kilden.

Ved frekvensområdet 1-100 kHz genereres oscillatoriske strømmer vanligvis ved hjelp av piezo-elementer som er bundet til en polydimetylsiloksan (PDMS) mikrokanal over et designet hulrom^16,17. PDMS-membranen over det mønstrede hulrommet oppfører seg som en vibrerende membran eller trommel som presser væsken i kanalen. Ved dette frekvensområdet er bølgelengden større enn kanalstørrelsen, men oscillasjonshastighetsamplitudene er små. Det mest nyttige fenomenet i dette frekvensregimet er genereringen av akustiske / viskøse streamingstrømmer, som er utbedrede stabile strømmer forårsaket på grunn av ikke-linearitet som ligger i strømmen av væsker med treghet¹⁸. De jevne strømmestrømmene manifesterer seg vanligvis som høyhastighets motroterende vortices i nærheten av hindringer, skarpe hjørner eller mikrobobler. Disse vortices er nyttige for å blande ^19,20 og skille 10 μm store partikler fra strømningsstrømmen²¹.

For frekvenser i området 10-1000 Hz er både hastigheten til oscillatoriske komponenten og den tilhørende stabile viskøse streamingen betydelig i størrelsesorden og nyttig. Sterke oscillatoriske strømmer i dette frekvensområdet kan brukes til inertial fokusering²², lette dråpegenerering²³, og kan generere strømningsforhold (Womersley-tall) som etterligner blodstrømmen for in vitro-studier . På den annen side er streamingstrømmer nyttige for blanding, partikkelfangst og manipulering. Oscillatorisk strømning i dette frekvensområdet kan også oppnås ved hjelp av et piezo-element bundet til enheten som beskrevet ovenfor²³. Et betydelig hinder for å implementere oscillatoriske strømmer gjennom et limt piezo-element er at det krever at funksjoner utformes på forhånd. De limte høyttalerelementene kan heller ikke tas av, og et nytt element må bindes til hver enhet²⁴. Imidlertid presenterer slike enheter fordelen med å være kompakt. En alternativ metode er å bruke en elektromekanisk reléventil²⁰. Disse ventilene krever pneumatiske trykkkilder og tilpasset kontrollprogramvare for drift og øker derfor den tekniske barrieren for testing og implementering. Likevel muliggjør slike enheter anvendelse av innstilt trykkamplitude og frekvens.

I denne artikkelen er konstruksjon, drift og karakterisering av en brukervennlig metode for å generere oscillatoriske strømmer i frekvensområdet 10-1000 Hz i mikrokanaler beskrevet. Metoden gir mange fordeler som kostnadseffektiv montering, brukervennlighet og klar til grensesnitt med standard mikrofluidiske kanaler og tilbehør som sprøytepumper og rør. I tillegg, sammenlignet med tidligere lignende tilnærminger²⁵, tilbyr metoden brukeren selektiv og uavhengig kontroll av oscillasjonsfrekvenser og amplituder, inkludert moduleringen mellom sinusformede og ikke-sinusformede bølgeformer. Disse funksjonene gjør det enkelt for brukere å distribuere oscillatoriske strømmer og derfor legge til rette for utbredt adopsjon i et bredt spekter av eksisterende mikrofluidiske teknologier og applikasjoner innen biologi og kjemi.

Protocol

1. Rask prototypeformdesign og fabrikasjon Åpne AutoCAD på en PC. Velg Fil på oppgavelinjen, velg deretter Åpne og bla til og klikk på en tredimensjonal (3D) modellfil av kanalformen som har .dxf eller .dwg utvidelse. Merk hele modellen ved å klikke og dra en boks rundt den. Eksporter utformingen som en STL-fil ved å velge Fil | Eksporter, deretter Andre formater og velg .stl fra rullegardinlisten.  …

Representative Results

For å illustrere evnen og ytelsen til oppsettet ovenfor, presenteres representative resultater av oscillatorisk strømning i en enkel lineær mikrokanal med et firkantet tverrsnitt. Bredden og høyden på kanalen er 110 μm og lengden er 5 cm. Først beskriver vi bevegelsen av sfæriske polystyren tracer partikler og hvordan disse kan brukes til å sjekke troskapen til oscillatorisk signal samt rekkevidden av oscillasjon amplituder oppnåelig. Vi diskuterer deretter effekten av spesifikke væskeegenskaper eller mikroflu…

Discussion

Vi har demonstrert monteringen (se protokollkritiske trinn 3 og 4) og drift (se protokollkritiske trinn 5 og 6) for et eksternt høyttalerbasert apparat for generering av oscillatorisk strømning med frekvenser i området 10 til 1000 Hz i mikrofluidiske enheter. Partikkelsporing av suspenderte sporstoffpartikler er nødvendig for å bestemme gjengivelsen av den harmoniske bevegelsen, samt for å kalibrere spekteret av oscillasjonsamplituder som kan oppnås over rekkevidden av driftsfrekvenser. Amplitudefrekvenskurven for…

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