Montering och karakterisering av en extern drivrutin för generering av sub-kilohertz oscillerande flöde i mikrokanaler

Summary

Protokollet visar en bekväm metod för att producera harmoniskt oscillerande flöde från 10-1000 Hz i mikrokanaler. Detta utförs genom att ansluta ett datorstyrt högtalarmembran till mikrokanalen på ett modulärt sätt.

Abstract

Mikrofluidisk teknik har blivit ett standardverktyg i kemiska och biologiska laboratorier för både analys och syntes. Injektionen av vätskeprover, såsom kemiska reagenser och cellkulturer, åstadkoms huvudsakligen genom stadiga flöden som vanligtvis drivs av sprutpumpar, tyngdkraft eller kapillärkrafter. Användningen av komplementära oscillerande flöden beaktas sällan i applikationer trots dess många fördelar som nyligen visats i litteraturen. Det betydande tekniska hindret för genomförandet av oscillerande flöden i mikrokanaler är sannolikt ansvarigt för bristen på dess utbredda antagande. Avancerade kommersiella sprutpumpar som kan producera oscillerande flöde är ofta dyrare och fungerar bara för frekvenser mindre än 1 Hz. Här demonstreras montering och drift av en billig, plug-and-play-typ högtalarbaserad apparat som genererar oscillerande flöde i mikrokanaler. Hifi harmoniska oscillerande flöden med frekvenser från 10-1000 Hz kan uppnås tillsammans med oberoende amplitudkontroll. Amplituder som sträcker sig från 10-600 μm kan uppnås genom hela driftsområdet, inklusive amplituder > 1 mm vid resonansfrekvensen, i en typisk mikrokanal. Även om oscillationsfrekvensen bestäms av högtalaren, illustrerar vi att oscillationsamplituden är känslig för vätskeegenskaper och kanalgeometri. Specifikt minskar oscillationsamplituden med ökande kanalkretslängd och vätskeviskositet, och däremot ökar amplituden med ökande högtalarrörstjocklek och längd. Dessutom kräver apparaten inga tidigare funktioner för att kunna konstrueras på mikrokanalen och är lätt att ta bort. Den kan användas samtidigt med ett stadigt flöde som skapas av en sprutpump för att generera pulserande flöden.

Introduction

Den exakta kontrollen av vätskeflödeshastigheten i mikrokanaler är avgörande för lab-on-a-chip-applikationer som droppproduktion och inkapsling¹, blandning ^2,3 och sortering och manipulation av suspenderade partiklar ^4,5,6,7. Den huvudsakligen använda metoden för flödeskontroll är en sprutpump som producerar mycket kontrollerade stadiga flöden som avger antingen en fast volym vätska eller en fast volymetrisk flödeshastighet, ofta begränsad till helt enkelriktat flöde. Alternativa strategier för att producera enkelriktat flöde inkluderar användning av gravitationshuvud⁸, kapillärkrafter⁹ eller elektro-osmotiskt flöde¹⁰. Programmerbara sprutpumpar möjliggör en tidsberoende dubbelriktad styrning av flödeshastigheter och dispenserade volymer men är begränsade till svarstider större än 1 s på grund av sprutpumpens mekaniska tröghet.

Flödeskontroll på kortare tidsskalor låser upp en uppsjö^av 6,11,12,13,14,15 av annars otillgängliga möjligheter på grund av kvalitativa förändringar i flödesfysiken. Det mest praktiska sättet att utnyttja denna varierade flödesfysik är genom akustiska vågor eller oscillerande flöden med tidsperioder från ^10-1– ^10-9 s eller 10¹ -10⁹ Hz. Den högre änden av detta frekvensområde nås med hjälp av bulk akustisk våg (BAW; 100 kHz-10 MHz) och ytakustisk våg (SAW; 10 MHz-1 GHz) enheter. I en typisk BAW-anordning vibreras hela substratet och vätskekolonnen genom att applicera en spänningssignal över en bunden piezoelektrisk. Detta möjliggör relativt höga genomströmningar men resulterar också i uppvärmning vid högre amplituder. I SAW-enheter svängs emellertid gränssnittet mellan fast och vätska genom att applicera spänning på ett par interdigiterade elektroder mönstrade på ett piezoelektriskt substrat. På grund av de mycket korta våglängderna (1 μm-100 μm) kan partiklar så små som 300 nm manipuleras exakt av tryckvågen som genereras i SAW-enheter. Trots förmågan att manipulera små partiklar är SAW-metoder begränsade till lokal partikelmanipulation eftersom vågen snabbt dämpas med avstånd från källan.

Vid frekvensområdet 1-100 kHz genereras oscillerande flöden vanligtvis med hjälp av piezoelement som är bundna till en polydimetylsiloxan (PDMS) mikrokanal ovanför ett utformat hålrum^16,17. PDMS-membranet ovanför det mönstrade hålrummet beter sig som ett vibrerande membran eller trumma som trycksätter vätskan i kanalen. Vid detta frekvensområde är våglängden större än kanalstorleken, men oscillationshastighetsamplituderna är små. Det mest användbara fenomenet i denna frekvensregim är genereringen av akustiska / viskösa strömningsflöden, vilka är rektifierade stadiga flöden orsakade på grund av icke-linjäritet som är inneboende i flödet av vätskor med tröghet¹⁸. De stadiga strömmande flödena manifesteras vanligtvis som höghastighets motroterande virvlar i närheten av hinder, skarpa hörn eller mikrobubblor. Dessa virvlar är användbara för att blanda ^19,20 och separera partiklar med en storlek på 10 μm från flödesströmmen²¹.

För frekvenser i intervallet 10-1000 Hz är både hastigheten hos den oscillerande komponenten och dess associerade stadiga viskösa streaming betydande i storlek och användbar. Starka oscillerande flöden i detta frekvensområde kan användas för tröghetsfokusering²², underlätta droppgenerering²³ och kan generera flödesförhållanden (Womersley-tal) som efterliknar blodflödet för in vitro-studier . Å andra sidan är strömmande flöden användbara för blandning, partikelfångst och manipulation. Oscillerande flöde i detta frekvensområde kan också åstadkommas med hjälp av ett piezoelement bundet till anordningen enligt beskrivningen ovan²³. Ett betydande hinder för att implementera oscillerande flöden genom ett bundet piezoelement är att det kräver att funktioner utformas i förväg. Dessutom är de bundna högtalarelementen inte avtagbara och ett nytt element måste bindas till varje enhet²⁴. Sådana anordningar har emellertid fördelen att de är kompakta. En alternativ metod är att använda en elektromekanisk reläventil²⁰. Dessa ventiler kräver pneumatiska tryckkällor och anpassad styrprogramvara för drift och ökar därför den tekniska barriären för testning och implementering. Ändå möjliggör sådana anordningar applicering av inställd tryckamplitud och frekvens.

I den här artikeln beskrivs konstruktion, drift och karakterisering av en användarvänlig metod för att generera oscillerande flöden i frekvensområdet 10-1000 Hz i mikrokanaler. Metoden erbjuder många fördelar som kostnadseffektiv montering, användarvänlighet och redo att samverka med vanliga mikrofluidiska kanaler och tillbehör som sprutpumpar och slangar. Dessutom, jämfört med tidigare liknande tillvägagångssätt²⁵, erbjuder metoden användaren selektiv och oberoende kontroll av svängningsfrekvenser och amplituder, inklusive modulering mellan sinusformade och icke-sinusformade vågformer. Dessa funktioner gör det möjligt för användare att enkelt distribuera oscillerande flöden och underlättar därför utbredd användning i ett brett spektrum av befintliga mikrofluidiska tekniker och applikationer inom biologi och kemi.

Protocol

1. Snabb prototypformdesign och tillverkning Öppna AutoCAD på en dator. Välj Arkiv i aktivitetsfältet, välj sedan Öppna och bläddra till och klicka på en tredimensionell (3D) modellfil av kanalformen som har .dxf eller .dwg tillägg. Markera hela modellen genom att klicka och dra en ruta runt den. Exportera designen som en .stl-fil genom att välja Arkiv | Exportera, sedan Andra format och välj .stl i listrut…

Representative Results

För att illustrera kapaciteten och prestandan hos ovanstående inställning presenteras representativa resultat av oscillerande flöde i en enkel linjär mikrokanal med ett kvadratiskt tvärsnitt. Kanalens bredd och höjd är 110 μm och dess längd är 5 cm. Först beskriver vi rörelsen hos sfäriska polystyrenspårpartiklar och hur dessa kan användas för att kontrollera troheten hos den oscillerande signalen samt intervallet av oscillationsamplituder som kan uppnås. Vi diskuterar sedan effekten av specifika vätsk…

Discussion

Vi har demonstrerat montering (se protokollkritiska steg 3 och 4) och drift (se protokollkritiska steg 5 och 6) av en extern högtalarbaserad apparat för generering av oscillerande flöde med frekvenser i intervallet 10 till 1000 Hz i mikrofluidiska enheter. Partikelspårning av suspenderade spårpartiklar krävs för att bestämma troheten hos den harmoniska rörelsen samt för att kalibrera intervallet av oscillationsamplituder som kan uppnås över driftsfrekvensområdet. Amplitudfrekvenskurvan för en given volymins…

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