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.
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.
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 mengdepå 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 hulrom16,17. 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.
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…
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne anerkjenne støtten gitt og fasiliteter levert av Institutt for maskinvitenskap og ingeniørfag Rapid Prototyping Lab ved University of Illinois for å muliggjøre dette arbeidet.
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 |