Summary
מערכת microfluidic הרומן פותחה באמצעות תופעת שאיבה פסיבית נוזל מבוקר המשתמש מערכת המסירה. מערכת זו microfluidic יש פוטנציאל לשמש במגוון רחב של יישומים ביולוגיים נתון, עלות נמוכה שלה וקלות השימוש, דיוק נפחי, מהירות גבוהה, הדירות ואוטומציה.
Abstract
מערכת microfluidic הרומן פותחה המשתמשת התופעה של שאיבה פסיבית יחד עם טיפה בשליטת המשתמש המערכת מבוססת נוזל הלידה. פסיבי שאיבה היא תופעה שבה מתח הפנים המושרה הבדלים בלחץ כונן תנועת נוזל בערוצים סגורים. מערכת אוטומטית מסירה נוזל מורכב מסידרה של שסתומים מבוקר מתח עם מיקרו חרירי מחובר למאגר נוזל ומערכת שליטה. אלה שסתומים מבוקר מתח מציעים דרך מדויקת volumetrically להעביר טיפות נוזל אל מפרצון של המכשיר microfluidic באופן בתדירות גבוהה. בהתבסס על ממדי הפגינו דוגמה המחקר הנוכחי, המערכת מסוגלת לזרום 4 מיליליטר לדקה (באמצעות 2.2mm ידי ערוץ חתך 260um). על סמך אלו ממדים אותו ערוץ, להחליף נוזל נקודת בתוך הערוץ ניתן להשיג מעט שמונה מילישניות. הוא ציין כי קיים יחסי הגומלין בין תאוצה של המערכת (הנחילה על ידי שילוב של טיפות שנוצר על ידי שסתומים מהירות הנוזל בערוץ), ואת מתח הפנים של הנוזל. איפה תנופה מספקת מהירות זרימת נוזל (או להיפך), איזון של מתח הפנים על כניסת מספק להפסיק פתאום לזרום כלשהו. זה להפסיק פתאומית מאפשרת למשתמש לשלוט על מאפייני הזרימה של ערוץ ופותח את הדלת עבור מגוון של יישומים ביולוגיים, החל מקום מ משלוח מגיב לתרופה תאים מחקרים. הוא ציין גם כי כאשר חרירי מכוונים כניסת בזוויות רדוד, המומנטום אגל יכול לגרום לתופעות נוספות נוזל מעניין, כמו ערבוב של טיפות מרובות כניסת.
Protocol
בדו"ח זה אנו מדגימים שיטת הצגה נוזל המשתמשת מתח קטן משטח אגל לשאוב נפח הרצויה דרך ערוץ microfluidic על מנת להשיג מספר תופעות נוזלים שונים. לדוגמה, המשתמש מומלץ זרימת נוזל אחד מהר ככל האפשר, או לספק נוזלים מרובים ברצף מהיר ליצור דפוסים fluidic ספציפיים. כדי לעשות זאת, המשתמש חייב קודם כל יישום בנוי סביב המכשיר microfluidic. המכשיר microflluidic אינו צריך להיות קשור, אבל צריך להיות עשוי מחומר הידרופילי. Therfore, השיטה ניתן להשתמש עם כל התקן כמעט microfluidic, עם ביצועים בעיקר מוכתב על ידי אילוצים גיאומטריים של הערוץ microfluidic. כדי לעזור לנווט אילוצים גיאומטריים של שיטה זו, מבוא לניתוח המספרי רלוונטי מוצג ראשון.
- שיטות אנליטיות: על פי חוק לפלס וחוק וושבורן [1], אפשר לייחס את קצב הזרימה בתוך ערוץ microfluidic לממדים שלה ואת המאפיינים של הנוזל הזורם כפי שניתן לראות במשוואה (1),
(1)
שם Δ P ההבדל בין לחץ היניקה ולשקע, γ הוא מתח הפנים נוזלי, R הוא רדיוס ירידה מפרצון, ש הוא שיעור זרימת K הוא ההתנגדות fluidic כפי שמתואר על ידי המשוואה (2),
(2)
שם η היא צמיגות הנוזל, L 0 הוא אורך הערוץ, h הוא גובה ערוץ, W הוא רוחב הערוץ, λ = w / h ו g (λ) = 1.5 אם λ> 4.45 או
אם λ <4.45. נציב במשוואה (2) למשוואה (1), תמיד בהנחה ש <w ופתרון עבור Q, אחד מקבל משוואה (3),
(3)
ניתוח דומה ניתן לעשות עבור מהירות של נוזל בתוך ערוץ על ידי בידיעה ש = VA, כאשר V היא מהירות ממוצעת נוזלים הוא שטח חתך או בחומרה. חיבור אלה למשוואה (3) אתה בא עם משוואה (4),
(4)
הרעיון המכני חשוב שמוחל לעתים קרובות בביולוגיה microfluidic הוא לחץ גזירה, המתייחס זרימת קצב ומהירות על ידי המשוואה (5),
(5)
ידיעת הקשר בין ספיקה, מהירות השלכות הפיזי שלהם כפונקציה של מידות ערוץ ומאפיינים נוזל חיוני בעיצוב של המכשיר microfluidic למטרה מסוימת. לאחר התקן נוצר, המשתמש חייב אז לכייל את מערכת אספקת נוזלים על מנת להשיג את מאפייני הזרימה הרצויה בתוך המכשיר. - שלבים הגדרת כיול מערכת משלוח:
- צור המכשיר microfluidic באמצעות טכניקה רכה ליתוגרפיה באמצעות polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. ישנם מספר מאמרים יופיטר הממחישים שיטות להכנת PDMS microfluidic התקנים [5]. להדגמה זו, בחרנו ערוץ ישר פשוט, עם ממדים כדלקמן: רוחב 2.2mm, אורך 10 מ"מ וגובה 260um. כניסת בקטרים לשקע הם 1.8mm 5.1mm ו בהתאמה (איור 1). הפיך לצרף למכשיר PDMS להחליק זכוכית על ידי לחיצה על אותו לשקופית כוס (או מצע מתאים אחר) לסחוט כל בועות האוויר [5]. מצורף הפיך מאפשר למכשיר להיות שימוש חוזר מספר פעמים. השיטה יכולה לשמש גם עם מכשירים מלוכדות לצמיתות, אבל זה לא חובה.
- מלא את המכשיר עם הנוזל. האופי ההידרופובי של PDMS ואת אופי הידרופילי של זכוכית לעזור להזיז טיפה ממוקמת כניסת או מוצא, לתוך התעלה. אם טיפה של נוזל לא רוצה להיכנס לערוץ ידי עצמו או אם בועות לנוע לתוך התעלה, המשתמש יכול לשים טיפה של נוזל על כניסת או מוצא, ושימוש טפטפת בקצה השני לשאוב את הנוזל דרך התעלה. שיטה נוספת לסייע להעביר נוזל לתוך התעלה היא על ידי הפרדת מכשיר PDMS משקופית את הכוס בעדינות לנקות את המכשיר PDMS ואת שקופיות זכוכית עם אתנול. זה מחזיר את PDMS ואת שקופיות הזכוכית אופי הידרופובי הידרופילי שלהם, בהתאמה, אשר עשוי נחלשו עם הזמן והשימוש.
- לאחר מילוי המכשיר עם נוזל, מקום טיפה קטנה על כניסת ו bigger טיפה על משקע. ודא פסיבי שאיבה שקורה ידי צופה ירידה קטנה קריסת כניסת והתבוננות זרימת נוזל לכיוון היציאה. שוב, לוודא שאין בועות בתוך הערוץ.
- שימוש [3] החברה של לי VHS מיקרו ערכת מחלק החל, להרכיב אחד או יותר שסתומים (ההתקנה שסתום באיור 2) המורכב של Valve VHS לי 24 M / 2 וולט, 0.062 דיזות MINSTAC עם גודל פתח של 0.0100 ", לי 0.062 Minstac על מתאם Tube רך, את ספייק לי ואת החזק Driver (שליטה של המשתמש, לא מוצג) ואת העצרת חוט עופרת (חיבור שסתום אל ספייק החזק Driver, לא מוצג).
- דרך קלה כדי להחזיק את השסתומים הוא על ידי שימוש בכלים בעלי Bioscience מיניאטורי (איור 2) [4]. אלה מספקים דרך בדיוק המטרה והחזק את שסתום במיקום מסוים במהלך הניסויים על ידי הדבקה שסתום בקצה אחד של בעל ושימוש בסיס מגנטי (לא מוצג) בצד השני.
- הפוך את מערכת מאגר להציב כמה מטרים מעל המכשיר PDMS microfluidic (במקרה שלנו השתמשנו ¾ מזרקים לאונקיה פתוחה הסביבה, ראה איור 2). המאגר מספק את הראש בלחץ לכונן חרירי, עם הלחץ להיות פרופורציונלי לגובה של המאגר. לחילופין השסתומים זרבובית יכול להיות בלחץ במספר כלשהו של אמצעי שונה (כלומר, גז דחוס). צרף מחט המזרק המזרק. מחט מזרק טיפוסי יהיה בקלות לצרף לתוך צינורות בקוטר 1.14 מ"מ פנימי. צינורות 1.14 מ"מ אז יהיה בקלות לצרף אל 1.58 מ"מ (1 / 16 ") בצינור בקוטר פנימי אשר לאחר מכן עצמו מתחבר" מתאם Tube רכה "של השסתום. כדי למנוע דליפה של נוזל 1.14 מ"מ לחיבור צינורות 1.58 מ"מ, ניתן להשתמש PDMS כמו איטום. עכשיו שיש קו בין מחט המזרק ואת שסתום ושות לי, למלא את מאגרי מזרק עם נוזל. מזרק נוספת שסתום עשוי לשמש כדי לסייע בתהליך טיהור (המוצג אך לא מסומן באיור 2). המקום מגנט בצד של השסתום, זה איך שסתומים אלה הם מטוהר (הם בדרך כלל סגורים שסתומי סולנואיד), ולצפות להתחיל נוזל הזורם מן המאגר דרך שסתום והחוצה זרבובית .0100''.
- כיול המערכת על ידי בחירת זמן שסתום פתוח (זמן זה הזמן לפתוח את השסתום מאפשר להעביר נוזל על בסיס לכל הדופק) ואת התדירות (מספר פעימות בשנייה). הפעל one שסתום לתקופה שנבחרה (דקה או כך, רק זוכרת את הפעם לרוץ בסך הכל). לשקול את הנוזל כי נמסר מן השסתום. לדעת את זמן הריצה הכולל, תדירות לפי דופק הזמן לפתוח, לחשב את גרם אלפית השנייה ירה מן השסתום. זה "גרם אלפית השנייה" ערך יאפשר לך לבחור זמן לפתוח עבור נפח שתחפוץ המשתמש עשוי לרצות להיות מועברת מן השסתום.
(1) 
(2) 
דוגמה: מערכת מופעל למשך דקה (60 שניות). התדר היה 15 הרץ (15 פעימות בשנייה אחת). בפעם לכל הדופק היה פתוח 20 אלפיות השנייה (MS).
(20ms) (15Hz) (-60) = 18000ms.
משמעות הדבר היא כי מתוך 60,000 ms בתוך דקה אחת, השסתום היה למעשה פתוח 18,000 ms.
הבה נניח את נפח הנוזל מועבר משקלו 5 גרם. לאחר מכן,
5 גרם / 18000 ms = 2.78e -4 גרם / MS.
במקרה של מים, עם צפיפות שלה להיות אחד גרם למיליליטר (מ"ל),
2.78e -4 גרם / MS = 2.78e -4 mL / MS.
לאחר כיול, נפח ירידה תלוי זמן הפתוח. לדוגמה, עם זמן של 20ms פתוח, וכל שאר הפרמטרים כמו בדוגמה הקודמת,
(2.78e -4 mL / MS) (20 מילישניות) = 5.56e -3 מ"ל = 5.56 μL.
כדי למצוא את הזמן לפתוח y צריכה לעשות ירידה של נפח X (μL) microliter,
(X μL) / [(2.78e -4 mL / MS) (1000 μL / mL)] = y ms
8) לכוון אחד או יותר אל חרירי כניסת המכשיר PDMS (איור 3). לאחר כיול המערכת, ולחשב את נפח יוצא שסתום אחד, המבוסס על מידות המכשיר microfluidic. עבור פסיבית מהירות גבוהה שאיבה (להשיג קצב זרימה מרבי), לחשב את נפח ירידה כניסת צורך ליצור ירידה כניסת אשר בעל זווית המגע עם המשטח 90deg מפרצון [2]. ליצירת מנות, לחשב תדירות לפתוח שסתום פעמים את תזמון שסתומים צורך להפעיל שני שסתומים ברצף. כפי שניתן לראות באיור 3, שני חרירי ניתן הצביע על כניסת. זה יכול להרחיב את חרירי מרובים, שמטרתו בבת כניסת הערוץ.
נציג תוצאות:
כאשר מכויל כראוי, פעמים עם שסתום פתוח מחושב כראוי את חרירי מכוון כראוי בכל כניסה, המשתמש צריך להיות מסוגל לראות זרימה שאוב פסיבי (איור 4). פרץ של נוזל should לצאת שסתום ולהגיע מפרצון. כאשר הנוזל מגיע אל מפרצון, קיימת קריסה מיידית של הירידה כניסת לתוך התעלה, לכיוון היציאה. נוזל בתוך ערוץ המהלכים רק במהלך קריסת ירידה מפרצון. תנועת נוזל השלם בתוך הערוץ מפסיק בסוף קריסת ירידה, מתן נוזלים במשך להפסיק מיידית גבולות מוגדרים היטב fluidic (במקרה שהמשתמש זורם נוזלים מרובים). משך קריסה ירידה תלוי ברדיוס כניסת יציאת היקף הירידה כניסה [1]. בהגדרת הניסוי שלנו ואת העיצוב, קריסה ירידה כניסת מתרחשת בתוך כמה אלפיות.
באיור 1. PDMS microfluidic מכשיר עם כניסת אחד, שמאל, ואחד לשקע, נכון. אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של דמות 1.
2. איור Reservoir מערכת ההתקנה שסתום. אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של הדמות 2.
איור 3. שני שסתומים, שני שמטרתה כניסת יחיד של המכשיר microfluidic. אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של הדמות 3.
איור 4. טיים צעד רצף (33 אלפיות השנייה) קריסה ירידה כניסת הבא פליטה נוזל שסתום. אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של הדמות 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
- עבור פסיבית מהירות גבוהה שאיבה, אם את השילוב הנכון של תדר ונפח פעימה לכל (בשל הזמן הנכון לפתוח) נבחרה, המשתמש צריך לראות מה שנראה ירידה פגז סטטי או כניסת וקצב הזרימה מאוד מהירה בתוך הערוץ. אם מתרחשת הצפת, הזמן לפתוח ו / או תדירות גבוהות מדי.
- כדי לזהות מומנטום / משטח אינטראקציות מתח, המשתמש צריך משאבה אחת הדופק בכל פעם ולבחון את הסביבה ערוץ התוך בעוד הדופק מתרחש (מתחילתו ועד סופו). מומלץ על ידי המחברים להשתמש חרוזי ניאון כדי לספק תיאור מדויק של התנהגות תוך ערוץ נוזל. עם קריסתה של ירידה אחת כניסת המשתמש צריך לראות, בתוך הערוץ, תנועה של חרוזים לקראת היציאה. בעזרת מצלמה במהירות גבוהה, המשתמש יכול לציין כי חרוזים לנוע קדימה (לכיוון היציאה) מרחק מסוים ואז סובלים backflow קטן לפני שהגיע לעצירה מוחלטת ופתאומית. אם הירידה כניסת הוא ציין באותו זמן כמדיום ערוץ התוך, המשתמש צריך לציין כי backflow קטן של חרוזים המתאים ריבאונד קטן אך הירידה הפתאומית של מפרצון. הדבר מצביע על כך שקיים קשר מומנטום / משטח המתח בנוזל נשאב באופן פסיבי, בעיקר נוזל טיפות שנשא כניסת. המומנטום הוא גם העניק תנופה על ידי השסתומים להפיל את כניסת ו / או המומנטום שנוצר על ידי הירידה קורסת. כך או כך, המומנטום הזה מועבר לתוך מהירות תוך ערוץ נוזל. מומנטום והשלכותיו היא משהו שצריך ללמוד יותר בעתיד ייתכן יישומים פוטנציאליים רבים.
- אם חרירי מכוונים פתחי הכניסה בזווית רדוד מאוד, המומנטום של הטיפות יכול לגרום למספר שינויים שונים התופעות התמוטטות רביב. לדוגמה, אם צבעים משמשים הנוזל, המשתמש יכול לצפות מתערבל הנוזל על כניסת וכתוצאה מכך לראות תערובת של צבעים במקום צבעים צבע אחד נשאב לתוך התעלה, טוען כי על כניסת נוזלים יש היה מעורב במהלך התמוטטות. במקרים מסוימים זה יכול להיות בעייתי להשיג חילופי נוזלים מדויק, אבל ביישומים אחרים זה עשוי להיות מועיל לקידום ערבוב של נוזלים. במקרים של זוויות רדוד מאוד קיצוני של חרירי, יחד עם טיפות של מהירות גבוהה, המשתמש יכול לראות את טיפות "וקיפץ" של מפרצון, כמו את המומנטום של הירידה הופך גדול מדי כדי לאפשר לו להתמזג עם הירידה מפרצון .
- כאשר פסיבי שאיבה נוזלי במכשיר microfluidic, מהירות הנוזל היא פונקציה של מימדי המכשיר תכונות נוזל כפי שמוצג דרך (4) במשוואות (1). הלחץ המסופק על ידי טיפת נוזל עומדת ביחס הפוך לרדיוס טיפה, כלומר רדיוס טיפה יותר מספק לחץ נהיגה פחות. אם את רוחב הערוץ וגובה לגדול יחסי אחד עם השני, אז את הממדים האלה הם יותר, כך גדלה המהירות יכול להיות. עם זאת, מגיע לנקודה שבה הממדים ערוץ גדול לקחת מכשיר microfluidic לעולם macrofluidic היכן גבול למינרית וזרימה סוערים להיפגש. באזור זה של מספרי ריינולדס משוואות אלה לא יפעלו עוד. אז כדי לשמור על המערכת באזור של זרימה למינרית, אחד הממדים יכול להיות גדול יותר (רוחב התעלה), בעוד השני נשאר קבוע במקום כלשהו (ערוץ גובה) מיקרו סולם. יציאת כניסת ניתן להשאיר כפי קבוע או עשוי בקנה מידה עם רוחב הערוץ. עם הנחות אלה בחשבון, אם את הכף נמל מפרצון עם רוחב הערוץ, יגיע לנקודה שבה הלחץ המסופק על ידי טיפת נוזל כניסת הוא פחות מ ההתנגדות fluidic מסופק על ידי גידול רוחב הערוץ. כאשר נקודה זו מגיעה, צמצום מהירות fluidic יראו. אם יציאת כניסת נשאר קבוע את רוחב מורכב יותר, אז המהירות תהיה גדולה יותר, עד לנקודה שבה ההתנגדות fluidic זכה עם גידול ערוץ רוחב גובר על קצב הזרימה היתרון שמספקת עלייה בשטח החתך. יש איזון עדין בין הערוץ ויציאה ממדים כניסת לבין מתח הפנים של טיפת נוזל. המהירות הגדולה ביותר עבור ערוץ יכולה להיות מושגת כאשר גובה ערוץ שווה רוחב הערוץ, כלומר שטח חתך מרובע. שטח הכיכר הוא חתך את הממד הממקסם קצב הזרימה נפח תוך מזעור מגע פני השטח, כלומר קצב הזרימה הגדולה ביותר עם עמידות לפחות fluidic.
- יישומים ביולוגיים שונים סביר לדרוש עיצובים שונים המכשיר microfluidic. היתרון של שאיבה פסיבית היא כי כל עוד קיים מפרצון ולשקע, פסיבי שאיבה יעבוד. זה גם נוח מאוד בכך שהוא אינו מחייב את המכשיר microfluidic להיות קשור המצע שלה. זה מאפשר לו לשמש עם כמעט כל סוג של מצע. כדי למנוע טעות אנוש או עלויות גבוהות, המחברים להשתמש VHS החברה של לי ערכת החל יחד עם LabVIEW (National Instruments). מערכת זו מאפשרת למשתמש לשלוט זורם volumetric זמני אספקה תוך הקפדה על מסירה מדויקת אוטומטיות שיטה נוזל. פתחי הכניסה ריבוי שקעים עשויה לשמש גם, אבל שליטה על כיוון הזרימה קשה יותר בתרחישים הללו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
המימון ניתן על ידי מכון ויסקונסין של דיסקברי.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sylgard 184 Silicone elastometer base | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| Sylgard 184 Silicone elastometer curing agent | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| VHS Microdispensing Starting kit | The Lee Company | IKTX0322000A | |
| Miniature Holders | Bioscience Tools | MH-2 | |
| LabVIEW | National Instruments | Control System | |
| 1.14mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/7 | |
| 1.57mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/10 | |
| 20 mL BD™ Luer-Lok Tip Syringe, non-sterile | BD Biosciences | 301032 | |
References
- Berthier, E., Beebe, D. J. Flow rate analysis of a tension driven passive micropump. Lab Chip. 7, 1475-1478 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Harris, J., Lee, H., Vahidi, B., Tu, C., Cribbs, D., Cotman, C., NL, J. eon Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices. J Vis Exp. (9), (2007).
- Walker, G. M., Beebe, D. J. A passive pumping method for microfluidic devices. Lab Chip. 2 (3), 131-134 (2002).
