Summary
Роман микрожидкостных система была разработана с использованием явления пассивного накачки и пользователь управляемая система доставки жидкости. Это микрожидкостных система обладает потенциалом для использования в самых разнообразных биологических приложений с учетом его низкой стоимости, простоты использования, объемная точность, высокая скорость, повторяемость и автоматизации.
Abstract
Роман микрожидкостных была разработана система, использующая явление пассивного насосных вместе с пользователем контролируемые капли система доставки жидкости. Пассивный накачка явление которого поверхностное натяжение индуцированные перепады давления привод движения жидкости в закрытых каналах. Автоматизированная система доставки жидкость состоит из набора управляемый напряжением клапаны с микро-сопла подключен к пластовой жидкости и систему управления. Эти управляемые напряжением клапаны предлагаем объемно точный способ доставки жидкости капель на входе микрожидкостных устройств в высоком образом частоты. На основании размеров продемонстрирована в текущем примере исследования, система способна течет 4 миллилитров в минуту (через 2,2 мм по 260um поперечного сечения канала). Исходя из этих же размеров канала, жидкость обмен точку внутри канала может быть достигнуто всего за восемь миллисекунд. Он отметил, что существует взаимосвязь между импульсом система (предоставленная сочетание капель созданные клапанов и скорости жидкости в канале), а поверхностное натяжение жидкости. Где импульс обеспечивает скорость до потока жидкости (или наоборот), выравнивание поверхностного натяжения на входе обеспечивает внезапная остановка любого потока. Эта внезапная остановка позволяет пользователю управлять потоком характеристики канала и открывает двери для различных биологических приложений, начиная где-то от реагента доставки наркотиков клетка исследований. Он также отметил, что, когда сопла направлены на входе на небольших углах, капли импульс может вызвать дополнительные интересные явления жидкости, такие как смешивание нескольких капель на входе.
Protocol
В этом докладе мы демонстрируем жидкости способ доставки, что использует небольшие поверхностное натяжение капли для перекачки желаемого объема через микрожидкостных каналов для достижения числа различных явлений жидкости. Например, пользователь может пожелать одного потока жидкости настолько быстро, насколько это возможно, или передачу нескольких жидкостей в быстрой последовательности для создания конкретных жидкостных моделей. Для того, чтобы сделать это, пользователь должен сначала иметь приложение, построенное вокруг микрожидкостных устройств. Microflluidic устройства не должны быть связаны, но должна быть изготовлена из гидрофильных материалов. Therfore, этот метод может быть использован практически с любым микрожидкостных устройств, с производительностью в значительной степени диктуется геометрических ограничений микрожидкостных каналов. Чтобы помочь ориентироваться в геометрических ограничений этого метода, введение в соответствующие численного анализа представлены в первую очередь.
- Аналитические методы: В соответствии с законом Лапласа и Закон Washburn [1], можно связать скорость потока в рамках микрожидкостных каналов по своим размерам и свойствам текущей жидкости, как показано в уравнении (1),
(1)
где Δ P является перепад давления между входом и выходом, γ является поверхностное натяжение жидкости, R является входом радиус капли, Q является скорость потока и К жидкостного сопротивления, как описывается уравнением (2),
(2)
где η является вязкость жидкости, L 0, длина канала, ч это канал, высота, ш ширина канала, λ = ш / в и д (λ) = 1,5, если λ> 4,45 или
если λ <4,45. Подставляя уравнение (2) в уравнение (1), всегда при условии, что ч <ш и решения для Q, то получим уравнение (3),
(3)
Такой же анализ может быть сделано для скорости жидкости внутри канала, зная, что Q = ВА, где У жидкости средней скорости и является площадь поперечного сечения или ш. Подключение их в уравнение (3) вы столкнетесь с уравнением (4),
(4)
Важную механическую концепцию, которая часто применяется в микрожидкостных биологии напряжение сдвига, которая относится к скорости потока и скорости уравнением (5),
(5)
Зная связь между скоростью потока, скорости и их физические последствия в зависимости от канала размеры и свойства жидкости имеет решающее значение в дизайне микрожидкостных устройство для определенных целей. Как только устройство будет создан, пользователь должен калибровки жидкости системы доставки для достижения требуемых характеристик потока внутри устройства. - Шаги в Настройка и калибровка Система доставки:
- Создать микрожидкостных устройство через мягкие литографии технологии с использованием полидиметилсилоксан (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Есть ряд статей Юпитера, которые иллюстрируют способы получения PDMS микрожидкостных устройств [5]. Для демонстрации, мы выбрали простой прямой канал, с размерами следующим образом: 2,2 мм ширина, 10 мм длины и 260um высоту. Входного и выходного диаметра 1,8 мм и 5.1mm соответственно (рис. 1). Обратимо прикрепить устройство к PDMS стекло, нажав ее на стекло (или другой подходящий субстрат) и выдавливая пузырьки воздуха [5]. Обратимое присоединение позволяет устройству быть повторно использованы несколько раз. Метод может также использоваться с постоянно прикреплен устройств, но это не требуется.
- Заполните устройство с жидкостью. Гидрофобный характер PDMS и гидрофильности стекла способствовать продвижению каплей, которая находится на входе или выходе, в канал. Если капля жидкости не хочу вдаваться в канал сам по себе или, если пузыри двигаться в канале, пользователь может поместить каплю жидкости на входе или выходе, и использовать пипетку на противоположном конце, чтобы высосать жидкость через канал. Еще один способ помочь жидкость двигаться в канал, разделяя устройство PDMS из стекло и осторожно очистки устройства PDMS и стекло с этанолом. Это возвращается к PDMS и стекло их гидрофобные и гидрофильные натуры, соответственно, что, возможно, были ослаблены со временем и использовать.
- После заполнения устройства с жидким, место небольшое снижение на входе и BiggeГ падение на выходе. Убедитесь, что пассивное накачка происходит, наблюдая за небольшую каплю на входе коллапс и наблюдения потока жидкости к розетке. Опять же, убедитесь, что Есть нет пузырьков внутри канала.
- Используя [3] Компания Ли VHS микро отпуск начиная комплект, вместе взятые одного или нескольких клапанов (клапан установки на рисунке 2), состоящий из Ли VHS M / 2 24 Вольт Valve, 0,062 MINSTAC Сопла с отверстием размером 0,0100 ", Ли 0,062 Minstac на Мягкий адаптер Тюбе, Спайк Ли и удерживайте драйвера (для пользовательских элементов управления, не показано) и ведущий Ассамблея Wire (соединительный клапан Спайк и удерживайте драйверов, не показаны).
- Простой способ держать клапанов с помощью миниатюрных инструментов Bioscience держателей (рис. 2) [4]. Они обеспечивают способ точно целиться и удерживать клапан в определенном положении во время экспериментов склеиванием клапана к одному концу держателя и с помощью магнитного основания (не показаны), с другой стороны.
- Сделать водохранилищ для размещения нескольких футах над устройством PDMS микрожидкостных (в нашем случае мы использовали ¾ унции шприцы открытыми для окружающих, см. рисунок 2). Резервуар обеспечивает давление головой, чтобы сопла, с давлением пропорциональна высоте резервуара. Кроме сопла клапаны могут находиться под давлением на любое число различных средств (например, сжатый газ). Прикрепите шприц иглой шприца. Типичный иглу шприца будет легко крепятся на 1,14 мм внутренний диаметр трубы. 1,14 мм трубы будет легко крепятся на 1,58 мм (1 / 16 ") внутренняя трубка диаметром, потом сам подключается к" Soft адаптер трубы "из клапана. Для предотвращения утечки жидкости в 1,14 мм до 1,58 мм соединение трубки, можно использовать как PDMS герметиком. Теперь, когда есть линия между иглой шприца и клапан Ли Ко, заполнить шприц резервуары с жидкостью. Дополнительных шприц и клапан может использоваться, чтобы помочь в процессе чистки (показаны, но не отмеченного на рис 2). Место магнитом в сторону клапана, это, как эти клапаны очищаются (они, как правило, закрытые электромагнитные клапаны), и смотреть жидкости начнут поступать из резервуара через клапан и выход 0,0100''сопла.
- Калибровка системы, выбирая клапан открыт времени (открытое время это время, которое клапана позволяет жидкости проходить на основе каждого импульса) и частоты (количество импульсов в секунду). Активировать один клапан для выбранного периода (минуты или около того, просто помните, общее время работы). Взвесьте жидкость, которая была доставлена из клапана. Зная общее время работы, частота и каждого импульса открытое время, рассчитывать граммов на миллисекунду выстрел из клапана. Это "грамм на миллисекунды" значения позволит вам выбрать открытое время и по любой желаемой громкости пользователь может захотеть избавиться от клапана.
(1) 
(2) 
Пример: Система активируется на минуту (60 секунд). Частота 15 Гц (15 импульсов в секунду). За импульс открытое время составляет 20 миллисекунд (мс).
(20 мс) (15 Гц) (60) = 18000ms.
Это означает, что из 60 000 мс в одну минуту, клапан был фактически открыт для 18000 мс.
Давайте предположим, что объем жидкости доставлен весом 5 граммов. Затем,
5 г / 18000 мс = 2.78e -4 г / мс.
В случае с водой, с его плотностью время одного грамма на миллилитр (мл),
2.78e -4 г / мс = 2.78e -4 мл / мс.
После калибровки, объем капли зависит от открытого времени. Например, с помощью открытого времени 20 мс, а все остальные параметры как и в предыдущем примере,
(2.78e -4 мл / мс) (20 мс) = 5.56e -3 мл = 5,56 мкл.
Чтобы найти открытое время у необходимо сделать капля х микролитр (мкл) объема,
(Х мкл) / [(2.78e -4 мл / мс) (1000 мкл / мл)] = у мс
8) Цель одним или несколькими соплами на вход устройства PDMS (рис. 3). Наличие калиброванного системы, рассчитать объем выходящих из каждого клапана, основанный на микрожидкостных размеры устройства. За высокую пассивную скорость накачки (для достижения максимальной скорости потока), рассчитать объем падения входе необходимо создать входе каплей, которая обладает 90 градусов угол контакта с входной поверхности [2]. Для создания пакета, рассчитать клапан частоты и открытым раз и клапан таймингов необходимо активировать двух клапанов в определенной последовательности. Как видно на рисунке 3, два сопла может быть направлен на входе. Это может распространяться на несколько насадок, все из которых направлены на входе в канал.
Представитель Результаты:
При правильной калибровке, при открытом клапане раз правильно рассчитаны и сопла правильно, направленных на входе, пользователь должен иметь возможность видеть поток пассивно накачкой (рис. 4). Взрыв жидкого шульд выходить из клапана и достижения на входе. Как жидкости достигает входе, есть мгновенный крах входе зайти в канал, к розетке. Жидкий в пределах канала перемещается только в период распада входе капли. Полное движение жидкости в канале останавливается в конце капли коллапс, предусматривающий мгновенную остановку жидкости и четко определены границы жидкостных (в случае, если пользователь течет нескольких жидкостей). Длительность падения распада зависит от радиуса входного порта и объема входе капли [1]. В нашей экспериментальной установки и проектирования, входного краху падение происходит в течение нескольких миллисекунд.
Рисунок 1. PDMS микрожидкостных устройство с одним входом, слева, и один выход, да. Пожалуйста, нажмите здесь , чтобы видеть большую версию рисунке 1.
Рисунок 2. Водохранилище системы и клапан установки. Пожалуйста, нажмите здесь , чтобы видеть большую версию рисунке 2.
Рисунок 3. Два клапана, и направленные на одном входе микрожидкостных устройств. Пожалуйста, нажмите здесь , чтобы видеть большую версию рисунке 3.
Рисунок 4. Времени последовательность шагов (33 миллисекунд) входного краху падение следующие жидкости выброса из клапана. Пожалуйста, нажмите здесь , чтобы видеть большую версию рисунке 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
- За высокую пассивную скорость накачки, если правильное сочетание частоты и импульсов на единицу объема (за счет правильной открытое время) выбран, пользователь должен видеть то, что кажется перепада статического или оболочки на входе и очень быстрая скорость потока внутри канала. Если происходит переполнение, время открытия и / или частота слишком высоки.
- Для определения момента / поверхностных взаимодействий напряжение, пользователь должен насос один импульс за один раз и наблюдаем внутри-канальной среде в то время как импульс происходит (от начала до конца). Рекомендуется авторами использовать люминесцентные бусины, чтобы обеспечить точное изображение внутри канала жидкости поведение. После распада одной капли на входе пользователь должен видеть, внутри канала, движение из бисера к розетке. Использование высоких скорость камеры, пользователь может отметить, что бусины двигаться вперед (в сторону выхода) на определенное расстояние, а затем страдают от небольшого обратного потока до прихода к полной и резком торможении. Если вход падение наблюдается в то же время, как внутри канала среде, пользователь должен отметить, что малый обратный бус соответствует небольшой, но внезапный отскок на входе капли. Это говорит о том, что существует момента / поверхностного натяжения отношения в жидкости будучи пассивно перекачивается, прежде всего в жидкости каплями выступил на входе. Импульс или импульс, предоставленная клапанов падение входе и / или импульс, созданный падение рушится. В любом случае, этот импульс передается в внутри канала скорости жидкости. Импульс и его последствий является то, что должен быть изучен более в будущем, и может иметь множество потенциальных применений.
- Если сопла направлены на входы на очень небольшим углом, импульс капли могут привести к ряду различных изменений в капле явления коллапса. Например, если красители используются в жидкости, пользователь может наблюдать закрученной жидкости на входе и в результате видим смесь красителей, а не отдельные цвета красителя вливаются в канал, предполагая, что жидкость на входе есть неоднозначными при коллапсе. В некоторых случаях это может быть проблематично в получении точной обмен жидкости, но и в других случаях может оказаться полезным для содействия смешивания жидкостей. В случаях очень крайних мелкие углы сопла, в сочетании с каплями высокой скорости, пользователь может наблюдать капель "отскакивают" от входа, а импульс капля становится слишком большой, чтобы позволить ему сливаться с входом падение .
- При пассивном перекачиваемой жидкости в микрожидкостных устройств, скорость жидкости является функцией устройства размеры и свойства жидкости, как показано в уравнениях (1) по (4). Давление предоставляемые каплю жидкости обратно пропорциональна радиуса капли, то есть больше радиуса капли обеспечивает меньше вождения давления. Если ширина канала и высоты роста пропорциональна друг с другом, то больше эти размеры, тем выше скорость может быть. Тем не менее, наступает момент, когда большие габариты канала принять микрожидкостных устройство в macrofluidic мире, где границы ламинарным и турбулентным потоком с концами. В этом регионе чисел Рейнольдса эти уравнения перестают работать. Таким образом, чтобы поддерживать систему в области ламинарного потока, один из размеров может стать больше (ширина канала), а другая остается постоянным где-то в микро-масштабе (высота канала). Входное отверстие может быть оставлен в качестве постоянного или могут масштаба с шириной канала. В этих предположениях в виду, если входной порт весы с шириной канала, наступит момент, когда давление предоставляемые входе капля жидкости меньше жидкостного сопротивления при условии, увеличением ширины канала. Когда эта точка достигнута, сокращение жидкостный скорость будет видно. Если входное отверстие остается постоянным и ширины производится больше, то скорость станет больше, пока точка, в которой жидкостного сопротивления, накопленный в увеличении ширины канала пересиливает преимущество скорости потока при условии, увеличением площади поперечного сечения. Существует тонкий баланс между каналом и размеры входного отверстия и поверхностного натяжения жидкости капли. Наибольшая скорость для канала может быть достигнуто, когда канал высота равна ширине канала, то есть квадратного поперечного сечения. Площадь поперечного сечения имеет размерность, которая максимизирует объемного расхода при минимальном поверхности контакта, т.е. наибольший расход с наименьшим жидкостного сопротивления.
- Различные биологические приложения, вероятно, потребует различных микрожидкостных конструкции устройства. Преимущество пассивного накачки, что, пока есть вход и выход, пассивный насосных будет работать. Это также очень удобен тем, что она не требует микрожидкостных устройство быть связаны с ее поверхности. Это позволяет использовать его практически с любым типом поверхности. Чтобы избежать ошибки человека или высокая стоимость, авторы используют VHS Компания Ли начиная комплект вместе с LabVIEW (Национальный Instruments). Эта система позволяет пользователю контролировать объемные расходы и сроки поставок, обеспечивая при этом точное и автоматизированный метод жидкости доставки. Множественные входы и выходы могут быть также использованы, но контроль направления потока труднее в этих сценариях.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Финансирование было предоставлено Висконсин институт Discovery.
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).
