Сборка и характеристика внешнего драйвера для генерации субкилогерцового колебательного потока в микроканалах
Summary
Протокол демонстрирует удобный способ получения гармонического колебательного потока от 10-1000 Гц в микроканалах. Это выполняется путем модульного сопряжения управляемой компьютером диафрагмы динамика с микроканалом.
Abstract
Микрофлюидная технология стала стандартным инструментом в химических и биологических лабораториях как для анализа, так и для синтеза. Инъекция жидких образцов, таких как химические реагенты и клеточные культуры, преимущественно осуществляется через устойчивые потоки, которые обычно приводятся в движение шприцевыми насосами, гравитацией или капиллярными силами. Использование комплементарных колебательных потоков редко рассматривается в приложениях, несмотря на его многочисленные преимущества, недавно продемонстрированные в литературе. Значительный технический барьер для реализации колебательных потоков в микроканалах, вероятно, ответственен за отсутствие его широкого распространения. Усовершенствованные коммерческие шприцевые насосы, которые могут производить колебательный поток, часто стоят дороже и работают только на частотах менее 1 Гц. Здесь демонстрируется сборка и эксплуатация недорогого акустического аппарата типа plug-and-play, который генерирует колебательный поток в микроканалах. Высокая точность гармонических колебательных потоков с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц может быть достигнута наряду с независимым управлением амплитудой. Амплитуды в пределах 10-600 мкм могут быть достигнуты во всем диапазоне операций, включая амплитуды > 1 мм на резонансной частоте, в типичном микроканале. Хотя частота колебаний определяется динамиком, мы показываем, что амплитуда колебаний чувствительна к свойствам жидкости и геометрии канала. В частности, амплитуда колебаний уменьшается с увеличением длины цепи канала и вязкости жидкости, и, напротив, амплитуда увеличивается с увеличением толщины и длины трубки динамика. Кроме того, устройство не требует предварительных функций для проектирования на микроканале и легко отсоединяется. Его можно использовать одновременно с устойчивым потоком, создаваемым шприцевым насосом, для создания пульсирующих потоков.
Introduction
Точное управление расходом жидкости в микроканалах имеет решающее значение для лабораторных применений на кристалле, таких как производство капель и инкапсуляция1, смешивание 2,3, а также сортировка и обработка взвешенных частиц 4,5,6,7. Преимущественно используемым методом управления потоком является шприцевой насос, который производит высоко контролируемые устойчивые потоки, дозирующие либо фиксированный объем жидкости, либо фиксированный объемный расход, часто ограниченный полностью однонаправленным потоком. Альтернативные стратегии получения однонаправленного потока включают использование гравитационной головки8, капиллярных сил9 или электроосмотического потока10. Программируемые шприцевые насосы позволяют осуществлять двунаправленное регулирование расхода и дозированных объемов в зависимости от времени, но ограничены временем отклика более 1 с из-за механической инерции шприцевого насоса.
Управление потоком в более коротких временных масштабах открывает множество 6,11,12,13,14,15 недоступных возможностей из-за качественных изменений в физике потока. Наиболее практичным средством использования этой разнообразной физики потока являются акустические волны или колебательные потоки с временными периодами в диапазоне от 10-1 до 10-9 с или 101 -109 Гц. Доступ к верхнему пределу этого частотного диапазона осуществляется с помощью объемных акустических волн (BAW; 100 кГц-10 МГц) и поверхностных акустических волн (SAW; 10 МГц-1 ГГц). В типичном устройстве BAW вся подложка и столб жидкости вибрируются путем подачи сигнала напряжения через связанный пьезоэлектрик. Это обеспечивает относительно высокую пропускную способность, но также приводит к нагреву на более высоких амплитудах. Однако в устройствах SAW интерфейс твердо-жидкий колеблется путем подачи напряжения на пару интердигитированных электродов, узорчатых на пьезоэлектрической подложке. Из-за очень коротких длин волн (1 мкм-100 мкм) частицы размером до 300 нм могут точно манипулировать волной давления, генерируемой в устройствах SAW. Несмотря на способность манипулировать мелкими частицами, методы SAW ограничены локальными манипуляциями с частицами, поскольку волна быстро ослабевает с удалением от источника.
В диапазоне частот 1-100 кГц колебательные потоки обычно генерируются с использованием пьезоэлементов, которые связаны с микроканалом полидиметилсилоксана (PDMS) над расчетной полостью16,17. Мембрана PDMS над узорчатой полостью ведет себя как вибрационная мембрана или барабан, который создает давление на жидкость в канале. В этом диапазоне частот длина волны больше, чем размер канала, но амплитуды скорости колебаний малы. Наиболее полезным явлением в этом частотном режиме является генерация акустических/вязких потоковых потоков, которые являются выпрямленными устойчивыми потоками, вызванными нелинейностью, присущей потоку жидкостей с инерцией18. Устойчивые потоки обычно проявляются в виде высокоскоростных встречно-вращающихся вихрей в непосредственной близости от препятствий, острых углов или микропузырьков. Эти вихри полезны для смешивания19,20 и отделения частиц размером 10 мкм от потокапотока 21.
Для частот в диапазоне 10-1000 Гц как скорость колебательной составляющей, так и связанное с ней устойчивое вязкое течение значительны по величине и полезны. Сильные колебательные потоки в этом диапазоне частот могут быть использованы для инерционной фокусировки22, облегчают генерацию капель23 и могут генерировать условия потока (числа Вомерсли), которые имитируют кровоток для исследований in vitro . С другой стороны, потоковые потоки полезны для смешивания, улавливания частиц и манипулирования. Колебательный поток в этом диапазоне частот также может быть осуществлен с использованием пьезоэлемента, связанного с устройством, как описано выше23. Существенным препятствием для реализации колебательных потоков через связанный пьезоэлемент является то, что он требует предварительного проектирования функций. Кроме того, связанные элементы динамика не являются съемными, и новый элемент должен быть прикреплен к каждому устройству24. Тем не менее, такие устройства представляют собой преимущество компактности. Альтернативным методом является использование электромеханического релейногоклапана 20. Эти клапаны требуют пневматических источников давления и специального программного обеспечения управления для работы и, следовательно, увеличивают технический барьер для тестирования и внедрения. Тем не менее, такие устройства позволяют применять заданную амплитуду и частоту давления.
В данной статье описано построение, эксплуатация и характеристика удобного для пользователя метода генерации колебательных потоков в диапазоне частот 10-1000 Гц в микроканалах. Метод предлагает множество преимуществ, таких как экономичная сборка, простота в эксплуатации и готовность к сопряжению со стандартными микрофлюидными каналами и аксессуарами, такими как шприцевые насосы и трубки. Кроме того, по сравнению с предыдущими аналогичными подходами25, способ предлагает пользователю селективное и независимое управление частотами и амплитудами колебаний, включая модуляцию между синусоидальными и несинусоидальными формами волн. Эти функции позволяют пользователям легко развертывать колебательные потоки и, следовательно, способствуют широкому внедрению в широкий спектр существующих в настоящее время микрофлюидных технологий и приложений в области биологии и химии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали сборку (см. протокольные критические шаги 3 и 4) и работу (см. протокольные критические шаги 5 и 6) внешнего акустического аппарата для генерации колебательного потока с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц в микрофлюидных устройствах. Отслеживание частиц взвешенных и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы отметить поддержку, оказанную и предоставленные Департаментом механических наук и инженерной лабораторией быстрого прототипирования в Университете Иллинойса для обеспечения этой работы.
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).
