Summary
Un sistema de microfluidos novela ha sido desarrollado utilizando el fenómeno de bombeo y un pasivo controlado por el usuario de sistemas de fluidos de entrega. Este sistema de microfluidos tiene el potencial para ser utilizado en una amplia variedad de aplicaciones biológicas debido a su bajo costo facilidad de uso, precisión volumétrica, de alta velocidad, repetibilidad y la automatización.
Abstract
Un sistema de microfluidos novela ha sido desarrollado que utiliza el fenómeno de bombeo pasiva junto con un usuario de gota controlado sistema basado en la entrega de líquidos. Pasiva de bombeo es el fenómeno por el cual la tensión superficial inducida por la presión de impulsión diferencias movimiento de fluidos en canales cerrados. El sistema de fluido de distribución automatizado consiste en un conjunto de la tensión de las válvulas de control con micro-boquillas conectadas a un depósito de líquido y un sistema de control. Estas válvulas de control de voltaje ofrecen una forma volumétrica precisa para entregar las gotas de líquido a la entrada de un dispositivo de microfluidos en una forma de alta frecuencia. En base a las dimensiones de muestra en el ejemplo del estudio actual, el sistema es capaz de fluir 4 mililitros por minuto (a través de un 2.2mm por 260um de la sección transversal del canal). En base a estas dimensiones el mismo canal, el intercambio fluido de un punto en el interior del canal se puede lograr en tan sólo ocho milisegundos. Se observa que existe interacción entre el momento del sistema (impartido por una combinación de las gotas creadas por las válvulas y la velocidad del fluido en el canal), y la tensión superficial del líquido. Donde el impulso proporciona la velocidad de flujo de fluido (o viceversa), el equilibrio de la tensión superficial en la entrada proporciona una parada repentina de cualquier flujo. Esta parada repentina permite al usuario controlar las características del flujo del canal y abre la puerta para una variedad de aplicaciones biológicas, que van desde la entrega de reactivos a los estudios de células de drogas. También se observa que cuando las boquillas están dirigidas a la entrada en ángulos planos, el impulso de gota puede causar otros fenómenos interesantes de líquido, tales como la mezcla de gotas múltiples en la entrada.
Protocol
En este informe se demuestra un método de suministro de fluido que se utiliza la tensión pequeña superficie de las gotas para bombear un volumen deseado a través de un canal de microfluidos con el fin de alcanzar una serie de fenómenos fluido diferente. Por ejemplo, el usuario puede desear para el flujo de un fluido solo lo más rápido posible, o la administración de líquidos múltiples en sucesión rápida para crear patrones específicos de fluidos. Con el fin de hacer esto, el usuario debe tener una aplicación en torno a un dispositivo de microfluidos. El dispositivo microflluidic no tiene que estar unido, sino que debe ser hecha de un material hidrófilo. Por ello, una método se puede utilizar con casi cualquier dispositivo de microfluidos, con un rendimiento dictada en gran medida por las limitaciones geométricas del canal de microfluidos. Para ayudar a navegar por las limitaciones geométricas de este método, una introducción al análisis numérico relevante se presenta en primer lugar.
- Métodos de análisis: De acuerdo con la Ley de Laplace y la Ley de Washburn [1], se puede relacionar la velocidad de flujo en un canal de microfluidos que sus dimensiones y las propiedades del líquido que fluye como se ve en la ecuación (1),
(1)
donde Δ P es la diferencia de presión entre la entrada y la salida, γ es la tensión superficial líquido, R es el radio de caída de la entrada, Q es el caudal y la K es la resistencia de fluidos como se describe por la ecuación (2),
(2)
donde η es la viscosidad del líquido, L 0 es la longitud del canal, h es la altura del canal, w es el ancho del canal, λ = w / h y g (λ) = 1,5 si λ> 4,45 o
si λ <4,45. Sustituyendo la ecuación (2) en la ecuación (1), suponiendo que h <w y despejando Q, se obtiene la ecuación (3),
(3)
El mismo análisis se puede hacer por la velocidad del fluido dentro de un canal a sabiendas de que Q = VA, donde V es la velocidad media del fluido y A es el área transversal o hw. Al conectar estos en la ecuación (3) te ocurrió con la ecuación (4),
(4)
Un concepto importante mecánica que se aplica con frecuencia en la biología de microfluidos es el esfuerzo cortante, que se refiere a caudal y la velocidad por la ecuación (5),
(5)
Conocer la relación entre la velocidad de flujo, velocidad y sus implicaciones físicas en función de las dimensiones del canal y propiedades de los fluidos es fundamental en el diseño de un dispositivo de microfluidos para un fin determinado. Una vez que el dispositivo está creado, el usuario debe calibrar el sistema de suministro de líquido para alcanzar las características de flujo deseado en el dispositivo. - Pasos en la configuración y la calibración del sistema de entrega:
- Crear un dispositivo de microfluidos través de la técnica de litografía suave con polidimetilsiloxano (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Hay artículos número JoVe que ilustran los métodos para la fabricación de dispositivos de microfluídica PDMS [5]. Para esta demostración, hemos optado por un canal recto simple, con las dimensiones de la siguiente manera: ancho de 2,2 mm, longitud 10 mm y la altura de 260um. La entrada y salida de los diámetros son de 1,8 mm y 5.1 mm, respectivamente (figura 1). Reversible conectar el dispositivo a PDMS portaobjetos de vidrio pulsando sobre un portaobjetos de vidrio (o sustrato adecuado) y desplazando a las burbujas de aire [5]. Un mensaje reversible permite al dispositivo ser reutilizado varias veces. El método también se puede utilizar con dispositivos de unión permanente, pero no es necesario.
- Rellene el dispositivo con el líquido. La naturaleza hidrofóbica de PDMS y la naturaleza hidrofílica de ayudar a mover una gota de vidrio que se coloca en la entrada o salida, en el canal. Si la gota de líquido no quiero entrar en el canal por sí mismo o si las burbujas se mueven en el canal, el usuario puede poner una gota de líquido en la entrada o salida, y el uso de una pipeta en el extremo opuesto de succionar el líquido a través del canal. Otra forma de ayudar a la mudanza líquido en el canal es mediante la separación del dispositivo PDMS de la lámina de vidrio y limpiar suavemente el dispositivo de PDMS y la lámina de vidrio con etanol. Esto vuelve a la PDMS y la lámina de vidrio a su naturaleza hidrofóbicos e hidrofílicos, respectivamente, los cuales pueden haberse debilitado con el tiempo y uso.
- Después de llenar el dispositivo con el líquido, coloque una pequeña gota en la entrada y un Bigger caída en la salida. Asegúrese de pasivos de bombeo que está pasando al ver la pequeña disminución en la caída de entrada y observar el flujo de líquido hacia la salida. Una vez más, asegúrese de que no haya burbujas en el interior del canal.
- Uso de la compañía de Lee [3] VHS micro kit de distribución de partida, juntos una o más válvulas (instalación de la válvula en la figura 2) que consiste en el Lee VHS M / 2 24 válvulas Volt, un 0,062 boquillas MINSTAC con el tamaño del orificio de 0,0100 ", el Lee 0,062 Minstac Adaptador tubo blando y el de Spike Lee y retención del conductor (para el control del usuario, no se muestra) y la Asamblea de cable (conexión de la válvula a la espera de Spike y conductor, no se muestra).
- Una manera fácil de mantener las válvulas es mediante el uso de los titulares de las herramientas de Bioscience en miniatura (figura 2) [4]. Estas proporcionan una manera de apuntar con precisión y mantener la válvula en una posición determinada durante la experimentación, pegando la válvula a un extremo del titular y con una base magnética (no mostrado) en el otro lado.
- Hacer un sistema de depósito para ser colocados a un metro por encima del dispositivo de microfluidos PDMS (en nuestro caso hemos utilizado ¾ oz jeringas abierta al ambiente, ver figura 2). El depósito ofrece una carga de presión para impulsar las boquillas, la presión es proporcional a la altura del depósito. Como alternativa, la válvula de la boquilla se puede presurizar por cualquier número de diferentes medios (es decir, de gas comprimido). Adjunte una aguja de la jeringa a la jeringa. Una aguja de la jeringa típica fácilmente se insertan en tubos de 1,14 mm de diámetro interior. El tubo de 1,14 mm entonces fácilmente se insertan en 1,58 mm (1 / 16 ") tubos de diámetro interior, que luego se conecta con el" adaptador de tubo blando "de la válvula. Para evitar fugas de líquido en el mm 1,14-1,58 mm conexión del tubo, se puede utilizar como sellador PDMS. Ahora que hay una línea entre la aguja de la jeringa y la válvula de Lee Co., llenar los embalses jeringa con el líquido. Una jeringa y una válvula adicional se puede utilizar para ayudar en el proceso de purga (que se muestra, pero no están etiquetados en la figura 2). Coloque un imán en el lado de la válvula, lo que es la forma en que estas válvulas se purgan (que están normalmente cerradas las válvulas de solenoide), y ver empezar líquido que fluye desde el depósito a través de la válvula y la boquilla de 0,0100''.
- Calibrar el sistema de elección de un tiempo de apertura de la válvula (tiempo de apertura es el tiempo que la válvula permite que el líquido pase sobre una base de impulsos por) y frecuencia (número de pulsos por segundo). Activar una válvula de un período elegido (un minuto o así, sólo recuerda el tiempo total). Pesar el líquido que fue liberado de la válvula. Conocer el tiempo de ejecución total, la frecuencia y por impulso de tiempo libre, calcular los gramos por milisegundo que sale disparada de la válvula. Este "gramos por milisegundo" valor le permitirá elegir un tiempo abierto para cualquier volumen deseado el usuario lo desea, puede ser liberado de la válvula.
(1) 
(2) 
Ejemplo: Sistema activado por un minuto (60 segundos). La frecuencia fue de 15 Hz (15 pulsos en un segundo). El tiempo por pulso abierto fue de 20 milisegundos (ms).
(20 ms) (15Hz) (60) = 18000ms.
Esto significa que de los 60.000 m en un minuto, la válvula estaba realmente abierto para 18.000 ms.
Supongamos que el volumen de líquido entregado pesa 5 gramos. Entonces,
5 gramos / ms = 18,000 gramos 2.78e -4 / ms.
En el caso del agua, con su densidad es de un gramo por mililitro (ml),
2.78e gramos -4 / ms = 2.78e -4 ml / ms.
Después de la calibración, el volumen de una gota depende del tiempo de apertura. Por ejemplo, con un tiempo abierto de 20 ms, y todos los demás parámetros los mismos que en el ejemplo anterior,
(2.78e -4 ml / m) (20 ms) = 5.56e -3 mL = 5,56 mL.
Para encontrar el tiempo libre y necesaria para tomar una gota de x microlitro (l) el volumen,
(X l) / [(2.78e -4 ml / ms) (1000 l / ml)] = y ms
8) Procurar una o varias boquillas a la entrada del dispositivo de PDMS (Figura 3). Después de haber calibrado el sistema, calcular el volumen que sale de cada válvula, en base a las dimensiones del dispositivo de microfluidos. Por pasiva de alta velocidad de bombeo (para obtener el caudal máximo), calcular el volumen de la gota de entrada necesarios para crear una caída de entrada, que posee un ángulo de contacto con la superficie de entrada 90deg [2]. Para la creación de paquetes, calcular la válvula por la frecuencia y abrir la válvula y los tiempos necesarios para activar dos válvulas en secuencia. Como se ve en la figura 3, las dos boquillas se pueden señalar en la entrada. Esto puede extenderse a múltiples boquillas, todas ellas encaminadas a la entrada del canal.
Los resultados representativos:
Cuando está bien calibrado, con tiempos de apertura de la válvula calculado correctamente y las boquillas bien dirigida en la entrada, el usuario debe ser capaz de ver el flujo bombeado pasiva (figura 4). Una explosión de mierda líquidaOuld salir de la válvula y llegar a la entrada. Como el líquido llega a la entrada, hay un colapso instantáneo de la caída de la entrada en el canal, hacia la salida. Líquido en el canal sólo se mueve durante el colapso de una caída de la entrada. El movimiento de fluidos completa en el canal se detiene al final de la caída de colapso, que prevé dejar de líquido instantáneo y bien definidos los límites de fluidos (en el caso de que el usuario está fluyendo líquidos múltiples). La duración del colapso caída depende del radio del puerto de entrada y el volumen de la caída de la entrada [1]. En nuestra configuración experimental y el diseño, el colapso se produce caída de la entrada en cuestión de unos pocos milisegundos.
Figura 1. PDMS dispositivo de microfluidos con una entrada, a la izquierda, y una salida, a la derecha. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de la figura 1.
Figura 2. Embalse del sistema y la configuración de la válvula. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de la figura 2.
Figura 3. Dos válvulas, ambos dirigidos a una sola entrada de un dispositivo de microfluidos. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de la figura 3.
Figura 4. Tiempo de paso de secuencia (33 milisegundos) del colapso caída de la entrada después de expulsar líquidos a partir de una válvula. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de la figura 4.
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Discussion
- Por pasiva de alta velocidad de bombeo, si la combinación adecuada de la frecuencia y el volumen del pulso por (debido al tiempo libre correcto) que se elija, el usuario debe ver lo que parece ser una caída estática o una concha en la entrada y un caudal muy rápido en el interior del canal. Si se produce un desbordamiento, el tiempo de apertura y / o la frecuencia es demasiado alta.
- Para detectar el impulso / superficie de las interacciones de tensión, el usuario debe bombear un pulso a la vez y observar el medio ambiente dentro de la canal, mientras que el pulso se está produciendo (de principio a fin). Es recomendado por los autores a utilizar perlas fluorescentes para proporcionar una descripción exacta del comportamiento de fluidos dentro de la canal. Tras el colapso de una sola gota en la entrada, el usuario debe ver, dentro del canal, el movimiento de cuentas hacia la salida. Utilizando una cámara de alta velocidad, el usuario puede notar que las cuentas se mueven hacia adelante (hacia la salida) a una cierta distancia y luego sufrir un reflujo pequeñas antes de llegar a una parada completa y repentina. Si la caída de la entrada se observa al mismo tiempo, como el medio intra-canal, el usuario debe tener en cuenta que el flujo de retorno pequeños de cuentas corresponde a un pequeño, pero de rebote repentino de la caída de la entrada. Esto sugiere que existe una relación de tensión de impulso / superficie en el líquido bombeado se pasiva, sobre todo en el líquido cae entregado en la entrada. El impulso es o impulso facilitado por las válvulas a la caída de la entrada y / o impulso generado por la caída de colapso. De cualquier manera, este impulso se transfiere a la velocidad del fluido dentro del canal. Impulso y sus implicaciones es algo que tiene que ser estudiado más en el futuro y puede tener numerosas aplicaciones potenciales.
- Si los inyectores están dirigidas a las entradas en un ángulo muy bajo, el impulso de las gotas puede dar lugar a una serie de diversos cambios en los fenómenos de colapso de las gotas. Por ejemplo, si se utilizan colorantes en el líquido, el usuario puede observar un remolino del líquido en la entrada y, consecuentemente, obtener una mezcla de colorantes y no solo los colores de tinte que se bombea en el canal, lo que sugiere que los fluidos en la entrada han han mezclado durante el colapso. En algunos casos esto puede ser problemático para conseguir el intercambio fluido de precisión, pero en otras aplicaciones que pueden llegar a ser beneficioso para la promoción de la mezcla de fluidos. En los casos de ángulos muy superficial extrema de las boquillas, junto con las gotas de alta velocidad, el usuario puede observar el 'rebote' de la entrada de gotas, como el impulso de la caída es demasiado grande para permitir que se unen con la caída de la entrada .
- Cuando pasiva de bombeo de líquido en un dispositivo de microfluidos, la velocidad del fluido es una función de las dimensiones del dispositivo y las propiedades del fluido como se muestra en las ecuaciones (1) a (4). La presión proporcionada por una gota de líquido es inversamente proporcional al radio de la gota, es decir, un radio mayor caída ofrece una menor presión de conducción. Si la anchura del canal y la altura crece proporcional entre sí, entonces la mayor de estas dimensiones, mayor será la velocidad puede ser. Sin embargo, llega un punto en el canal de grandes dimensiones llevar un dispositivo de microfluidos en el mundo macrofluidic donde el límite de flujo laminar y turbulento mes. En la región de los números de Reynolds estas ecuaciones ya no funcionan. Así que para mantener el sistema en la región de flujo laminar, una de las dimensiones puede ser más grande (ancho de canal) mientras que el otro se queda constante en algún lugar de la micro-escala (altura del canal). El puerto de entrada se puede dejar como una constante o puede escalar con el ancho del canal. Con estas premisas en mente, si las escalas de puerto de entrada con un ancho de canal, llegará un punto donde la presión proporcionada por la caída de fluido de entrada es menor que la resistencia de fluidos proporcionada por un aumento de la anchura del canal. Cuando se alcanza este punto, una reducción en la velocidad del fluido se verá. Si el puerto de entrada se deja constante y la anchura se hace mayor, entonces la velocidad será mayor hasta el punto en que la resistencia de fluidos ganó con un aumento de la anchura del canal domina la ventaja caudal proporcionado por un aumento de la sección transversal. Hay un delicado equilibrio entre el canal y las dimensiones de la entrada del puerto y la tensión superficial de la gota de líquido. La mayor velocidad de un canal se puede lograr cuando la altura del canal es igual a la anchura del canal, es decir, un cuadrado de sección transversal. Un cuadrado de sección transversal es la dimensión que maximiza el caudal de aire y reducir al mínimo la superficie de contacto, es decir, mayor velocidad de flujo con menor resistencia de fluidos.
- Diferentes aplicaciones biológicas probable es que requieren diferentes diseños de dispositivos de microfluídica. El beneficio de bombeo pasiva es que mientras hay una entrada y una salida, pasivos de bombeo de trabajo. También es muy conveniente, ya que no requiere que el dispositivo de microfluidos que se une a su sustrato. Esto le permite ser utilizado con casi cualquier tipo de sustrato. Para evitar el error humano o de altos costos, los autores utilizan equipo de la compañía de Lee VHS de partida, junto con LabVIEW (Ins Nacionaltrumentos). Este sistema permite al usuario controlar el flujo volumétrico y los tiempos de entrega al mismo tiempo un método de entrega de fluido precisa y automatizada. Múltiples entradas y salidas también se puede utilizar, pero el control de la dirección del flujo es más difícil en estos escenarios.
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Acknowledgments
El financiamiento fue proporcionado por el Instituto de Wisconsin de 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).
