Summary
Het protocol demonstreert een handige methode om harmonische oscillerende stroom van 10-1000 Hz in microkanalen te produceren. Dit wordt uitgevoerd door een computergestuurd luidsprekermembraan op een modulaire manier aan het microkanaal te koppelen.
Abstract
Microfluïdische technologie is een standaardinstrument geworden in chemische en biologische laboratoria voor zowel analyse als synthese. De injectie van vloeibare monsters, zoals chemische reagentia en celculturen, wordt voornamelijk bereikt door gestage stromen die meestal worden aangedreven door spuitpompen, zwaartekracht of capillaire krachten. Het gebruik van complementaire oscillerende stromen wordt zelden overwogen in toepassingen, ondanks de vele voordelen zoals onlangs aangetoond in de literatuur. De aanzienlijke technische barrière voor de implementatie van oscillerende stromen in microkanalen is waarschijnlijk verantwoordelijk voor het ontbreken van de wijdverspreide toepassing ervan. Geavanceerde commerciële spuitpompen die oscillerende stroom kunnen produceren, zijn vaak duurder en werken alleen voor frequenties minder dan 1 Hz. Hier wordt de assemblage en werking van een goedkoop, plug-and-play luidsprekergebaseerd apparaat gedemonstreerd dat oscillerende stroom in microkanalen genereert. Hifi harmonische oscillerende stromen met frequenties variërend van 10-1000 Hz kunnen worden bereikt, samen met onafhankelijke amplituderegeling. Amplitudes variërend van 10-600 μm kunnen worden bereikt over het hele werkingsbereik, inclusief amplitudes > 1 mm bij de resonantiefrequentie, in een typisch microkanaal. Hoewel de oscillatiefrequentie wordt bepaald door de luidspreker, illustreren we dat de oscillatieamplitude gevoelig is voor vloeistofeigenschappen en kanaalgeometrie. In het bijzonder neemt de oscillatieamplitude af met toenemende kanaalcircuitlengte en vloeistofviscositeit, en daarentegen neemt de amplitude toe met toenemende dikte en lengte van de luidsprekerbuis. Bovendien vereist het apparaat geen voorafgaande functies die op het microkanaal moeten worden ontworpen en is het gemakkelijk afneembaar. Het kan gelijktijdig worden gebruikt met een constante stroom die wordt gecreëerd door een spuitpomp om pulsatiele stromen te genereren.
Introduction
De nauwkeurige regeling van het vloeistofdebiet in microkanalen is cruciaal voor lab-on-a-chip-toepassingen zoals druppelproductie en inkapseling1, mengen 2,3 en het sorteren en manipuleren van zwevende deeltjes 4,5,6,7. De meest gebruikte methode voor debietregeling is een spuitpomp die sterk gecontroleerde constante stromen produceert die een vast volume vloeistof of een vast debiet afgeven, vaak beperkt tot volledig unidirectioneel debiet. Alternatieve strategieën voor het produceren van unidirectionele stroming omvatten het gebruik van gravitationele kop8, capillaire krachten9 of elektro-osmotische stroom10. Programmeerbare spuitpompen maken een tijdsafhankelijke bidirectionele regeling van debieten en afgegeven volumes mogelijk, maar zijn beperkt tot responstijden van meer dan 1 s vanwege de mechanische traagheid van de spuitpomp.
Flow control op kortere tijdschalen ontsluit een overvloed aan 6,11,12,13,14,15 aan anders ontoegankelijke mogelijkheden als gevolg van kwalitatieve veranderingen in de stromingsfysica. De meest praktische manier om deze gevarieerde stromingsfysica te benutten is door middel van akoestische golven of oscillerende stromen met tijdsperioden variërend van 10-1- 10-9 s of 101 -109 Hz. Het hogere uiteinde van dit frequentiebereik is toegankelijk met behulp van bulk akoestische golf (BAW; 100 kHz-10 MHz) en oppervlakte akoestische golf (SAW; 10 MHz-1 GHz) apparaten. In een typisch BAW-apparaat worden het hele substraat en de vloeistofkolom getrild door een spanningssignaal toe te passen over een gebonden piëzo-elektrisch. Dit maakt relatief hoge doorvoersnelheden mogelijk, maar resulteert ook in verwarming bij hogere amplitudes. In SAW-apparaten wordt de vaste-vloeistofinterface echter oscillerend door spanning toe te passen op een paar interdigitated elektroden met een patroon op een piëzo-elektrisch substraat. Door de zeer korte golflengten (1 μm-100 μm) kunnen deeltjes zo klein als 300 nm nauwkeurig worden gemanipuleerd door de drukgolf die in SAW-apparaten wordt gegenereerd. Ondanks het vermogen om kleine deeltjes te manipuleren, zijn SAW-methoden beperkt tot lokale deeltjesmanipulatie, omdat de golf snel verzwakt met de afstand tot de bron.
Bij het frequentiebereik van 1-100 kHz worden oscillerende stromen meestal gegenereerd met behulp van piëzo-elementen die zijn gebonden aan een polydimethylsiloxaan (PDMS) microkanaal boven een ontworpen holte16,17. Het PDMS-membraan boven de patroonholte gedraagt zich als een trillend membraan of trommel die de vloeistof in het kanaal onder druk zet. Bij dit frequentiebereik is de golflengte groter dan de kanaalgrootte, maar de oscillatiesnelheidsamplitudes zijn klein. Het meest bruikbare fenomeen in dit frequentieregime is het genereren van akoestische / viskeuze stroomstromen, die worden gerectificeerde gestage stromen veroorzaakt door niet-lineariteit inherent aan de stroom van vloeistoffen met traagheid18. De gestage stroomstromen manifesteren zich meestal als snelle tegengesteld draaiende wervelingen in de buurt van obstakels, scherpe hoeken of microbellen. Deze wervelingen zijn nuttig voor het mengen van19,20 en het scheiden van deeltjes ter grootte van 10 μm van de stroomstroom21.
Voor frequenties in het bereik van 10-1000 Hz zijn zowel de snelheid van de oscillerende component als de bijbehorende gestage viskeuze streaming aanzienlijk in omvang en nuttig. Sterke oscillerende stromen in dit frequentiebereik kunnen worden gebruikt voor traagheidsfocus22, vergemakkelijken druppelgeneratie23 en kunnen stroomomstandigheden (Womersley-getallen) genereren die de bloedstroom nabootsen voor in vitro studies. Aan de andere kant zijn streamingstromen nuttig voor het mengen, deeltjesvangen en manipulatie. Oscillerende stroming in dit frequentiebereik kan ook worden bereikt met behulp van een piëzo-element dat aan het apparaat is gebonden zoals hierboven beschreven23. Een belangrijke hindernis voor het implementeren van oscillerende stromen door een gebonden piëzo-element is dat het vereist dat functies vooraf worden ontworpen. Bovendien zijn de verlijmde luidsprekerelementen niet afneembaar en moet aan elk apparaat een nieuw element worden bevestigd24. Dergelijke apparaten hebben echter het voordeel dat ze compact zijn. Een alternatieve methode is het gebruik van een elektromechanische relaisklep20. Deze kleppen vereisen pneumatische drukbronnen en aangepaste besturingssoftware voor de werking en verhogen daarom de technische barrière voor testen en implementatie. Niettemin maken dergelijke apparaten de toepassing van ingestelde drukamplitude en frequentie mogelijk.
In dit artikel wordt de constructie, werking en karakterisering van een gebruiksvriendelijke methode beschreven om oscillerende stromen te genereren in het frequentiebereik van 10-1000 Hz in microkanalen. De methode biedt tal van voordelen, zoals kosteneffectieve montage, bedieningsgemak en klaar om te communiceren met standaard microfluïdische kanalen en accessoires zoals spuitpompen en slangen. Bovendien biedt de methode, in vergelijking met eerdere vergelijkbare benaderingen25, de gebruiker selectieve en onafhankelijke controle van oscillatiefrequenties en amplitudes, inclusief de modulatie tussen sinusoïdale en niet-sinusoïdale golfvormen. Deze functies stellen gebruikers in staat om eenvoudig oscillerende stromen te implementeren en vergemakkelijken daarom een wijdverspreide toepassing in een breed scala van momenteel bestaande microfluïdische technologieën en toepassingen op het gebied van biologie en chemie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Snel prototype matrijsontwerp en fabricage
- Open AutoCAD op een pc. Selecteer Bestand op de taakbalk, selecteer vervolgens Openen en blader naar en klik op een driedimensionaal (3D) modelbestand van de kanaalmal met .dxf of .dwg extensie.
- Selecteer het hele model door erop te klikken en er een vak omheen te slepen. Exporteer het ontwerp als stl-bestand door Bestand | Exporteren, vervolgens Andere indelingen en kies .stl in de vervolgkeuzelijst.
- Upload het bestand naar een hoge precisie hars stereolithografische (SLA) printer zoals Formlabs FORM3. Giet de hars in de harskamer en begin met het printen en produceer de mal met de kleinste stappen met z-as (25 micron voor Formlabs CLEAR resin).
- Wacht tot het automatisch afdrukken van onderdelen is voltooid.
OPMERKING: Mallen met functies zo klein als 0,1 mm kunnen op deze manier worden vervaardigd. - Nadat u het deel uit de hars hebt verwijderd, roert u het gedurende 5 minuten in isopropanol om de resterende hars te verwijderen.
- Droog de mal met lucht of stikstofgas gedurende 2 min.
OPMERKING: Conventionele microfluïdische schimmelfabricage met siliciumwafers en fotolithografie met elke SU8- of KMPR-fotoresisten kunnen ook worden gebruikt om een mal met kleinere kenmerken te produceren. - Laat de gedroogde mal maximaal 1 uur uitharden bij 60 °C in UV-licht.
2. PDMS microkanaal fabricage
- Plaats de mal op een vel aluminiumfolie. Om de delaminatie van PDMS te vergemakkelijken, spuit u de mal in 1 of 2 gangen met siliconen schimmelafgifte.
- Giet PDMS-hars en cross-linker in een wegwerpbeker in de verhouding van 10:1 gewicht en meng met een wegwerplepel.
- Giet het resulterende mengsel op de mal om een film van de vereiste dikte te produceren. Om wandvervorming met grote kanalen te voorkomen, moet u de PDMS-dikte van meer dan 5 mm of 3-4 keer de maximale objectdikte behouden.
- Plaats de vorm met gegoten PDMS in de ontgaskamer en sluit het deksel. Zorg ervoor dat de O-ring de kamer hermetisch afsluit.
- Sluit de uitlaatklep en zet de vacuüm ruwe pomp aan om het ontgassen te starten.
- Ontgas het gegoten mengsel in een vacuümpomp gedurende meer dan 4-6 cycli, waarbij elke cyclus ongeveer 5 minuten duurt. Verwijder handmatig eventuele resterende bellen (in hoeken en sleuven) met behulp van een fijne draad.
- Stel de oventemperatuur in op 80 °C en laat deze voorverwarmen. Zet het mengsel 2 uur in de oven op 80 °C om uit te harden.
- Haal de uitgeharde vorm uit de oven en laat deze 10 min op kamertemperatuur afkoelen.
- Snijd met behulp van een scalpel voorzichtig de randen van de mal uit. Gebruik voor optimale delaminatie een spuit om isopropanol tussen de mal en het uitgeharde PDMS te injecteren.
- Verwijder het uitgeharde PDMS uit de mal en snijd het in afzonderlijke apparaten met een scheermesje. De afmetingen van elk apparaat moeten variëren van 10 mm x 10 mm tot 30 mm x 70 mm om met de glasplaat te worden verbonden.
- Maak een gat van 1,0-3,0 mm diameter bij de inlaat en uitlaat met behulp van een biopsypons.
- Schakel de handheld radiofrequentie (RF) plasmagenerator in. Om de glasplaat te activeren, passeert u de draadelektrode gedurende 2 minuten meerdere keren over een schone droge glasplaat. Houd een draad-naar-glasspleet van ongeveer 5 mm aan. Plaats de apparaatzijde van het uitgeharde PDMS in contact met de geactiveerde glasplaat en plaats deze vervolgens gedurende 2 uur in een oven van 80 °C.
- Knip polyethyleen inlaat- en uitlaatbuizen op de gewenste lengte en steek ze in de inlaat- en uitlaatgaten.
- Om loslating van de buis tijdens het gebruik te voorkomen, brengt u siliconenkit aan op het contactoppervlak en laat u deze gedurende 2 uur uitharden om de slang vast te zetten.
3. Oscillerende driverassemblage
- Klem de uiteinden van de alligatorclip van een paar alligator-to-pin-draden vast aan de aansluitingen van een luidspreker. Hier werd een 15 W luidspreker met een 8 cm conus gebruikt, hoewel andere luidsprekers ook kunnen worden gebruikt.
- Plaats de chip van de aux-controller op een isolerende container. Steek de uiteinden van de pen in de schroefdoppen van de aux-controllerchip en draai stevig vast met een schroevendraaier om de connectiviteit te garanderen.
- Sluit het ene uiteinde van een aux-kabel aan op de controllerchip en het andere uiteinde op een aux-poort op een computer of smartphone.
- Sluit een 12 V gelijkstroomadapter (DC) aan op de voeding. Schakel de controllerchip in door het coaxiale uiteinde van de DC-adapter aan te sluiten op het stopcontact.
- Navigeer met behulp van een internetbrowser naar een website voor online toongeneratoren (bijv. https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Typ de gewenste frequentie (5-1200 Hz) in de online applicatie. Scrol op de volumebalk naar de gewenste hoeveelheid (bijvoorbeeld 100%).
- Klik op het Wave-Type Generator symbool en selecteer de gewenste golfvorm (sinus, vierkant, driehoek, zaagtand). Let op: de standaardwaarde is een sinusgolfvorm. Druk op Afspelen om de luidspreker te activeren.
4. Adapter montage
OPMERKING: De volledige luidspreker-naar-buis adapterassemblage wordt geïllustreerd door het schema in figuur 1.
- Bevestig de luidspreker (figuur 1(I)) op de 3D-geprinte luidsprekerbevestiging (figuur 1(II)) (zie speakermount.stl in aanvullend bestand 1) door een tape over het gebogen oppervlak en aan weerszijden van de houder te plakken.
- Richt de luidspreker verticaal met het oppervlak van de luidsprekerconus naar boven gericht. Plaats de 3D-geprinte adapter (figuur 1(III)) (zie speakertubeadapter.stl in aanvullend bestand 2) concentrisch op de luidsprekerconus.
- Breng siliconenkit royaal aan langs de randen van de adapter en laat 2 uur uitharden.
- Plaats de luidspreker en luidsprekerbevestiging op het microscooppodium en plak deze af om beweging tijdens het gebruik te voorkomen.
- Snijd een micropipetpunt van 200 μL ongeveer 2 cm van het smalle uiteinde en gooi de bredere helft van de punt weg. Het smalle conische uiteinde zal dienen als een wigafdichting voor omkeerbare bevestiging.
- Sluit de polyethyleenbuis (figuur 1(V)) aan op de uitlaat van het microkanaal (figuur 1(VI)) door eerst door de micropipetpunt te lopen (figuur 1(IV)) en vervolgens door het coaxiale uiteinde van de adapter en ten slotte via de zijkant naar buiten.
- Wig het smalle uiteinde van de pipetpunt stevig in het coaxiale uiteinde van de adapter om een afneembare, strakke afdichting te creëren.
5. Werking van de experimentele opstelling voor oscillerende stromen in microkanalen
- Voeg tracerdeeltjes toe aan een injectieflacon met 22% gewicht/gewicht (w/w) glyceroloplossing om een neutraal drijvende suspensie te produceren met een volumefractie van 0,01% -0,1% polystyreen in vloeistof bij 20 °C. Meng krachtig door te schudden om een homogene suspensie te produceren.
- Laad een inlaatspuit van 1 ml met 1 ml monster. Monteer en bevestig de geladen spuit op een automatische spuitpomp. Steek de naald van de spuit in de inlaatslang van het apparaat om een waterdichte afdichting te creëren.
- Zorg ervoor dat de uitlaatbuis door de adapterassemblage naar een reservoir wordt geleid (zie de vorige sectie over adapterassemblage).
- Zet de spuitpomp aan. Selecteer met behulp van het aanraakscherm het type spuit als Becton-Dickinson 1 ml. Selecteer vervolgens Infuse. Selecteer vervolgens het vereiste debiet (0-1 ml /min) of het debiet (< 1 ml).
- Start de constante stroom met behulp van de spuitpomp. Wacht tot er voldoende vloeistof is gestroomd en de uitlaatbuis tot aan de luidspreker is gevuld met vloeistof.
OPMERKING: De oscillerende amplitude voor een bepaalde instelling zal niet variëren met de gestage transportstroom als de uitlaatbuis is voorbereid. - Selecteer een vereiste frequentie, amplitude en golfvorm in de toongeneratortoepassing zoals beschreven in stap 3.5 en druk op Afspelen om oscillerende stroom in het microkanaal te genereren.
6. Observatie- en amplitudemeting
- Monteer het apparaat op de microscoop. Stel de optische configuratie in door een objectieflens te selecteren met een vergroting tussen 10x en 40x om het brandpuntsvlak aan te passen en het podium te positioneren.
- Om metingen in een goed gedefinieerd brandpuntsvlak te verkrijgen, moet u ervoor zorgen dat de scherptediepte van de objectieflens met een factor 5 of meer kleiner is dan de kanaaldiepte.
- Om de oscillerende stroom te observeren, gebruikt u een hogesnelheidscamera met een framesnelheid van ten minste tweemaal de oscillatiefrequentie zoals berekend met behulp van de bemonsteringsstelling van Nyquist. Voor een praktisch bruikbare resolutie van de golfvorm meet u ten minste 10 punten per tijdsperiode met behulp van een framerate > 10 keer die van de oscillatiefrequentie.
- Als alternatief, om alleen de gecorrigeerde of langdurige effecten van pulsatiele stromen te observeren, voert u stroboscopische beeldvorming uit door de observatiefrequentie in te stellen op een perfecte deler van de oscillatiefrequentie.
- Gebruik voor zowel directe als stroboscopische beeldvorming een camera die is uitgerust met een globale sluiter om het jello-effect te voorkomen. Houd in beide gevallen de belichtingstijd aanzienlijk korter dan de oscillatietijd (met een factor 10 of meer) om strepen te voorkomen.
- Om de oscillatieamplitude te meten zonder een hogesnelheidscamera, neemt u op met een framerate die dicht bij maar niet gelijk is aan de stroboscopische framesnelheid (bijv. 49 frames / s voor een 50 Hz-signaal). Dit resulteert in een sterk vertraagde oscillatie waaruit de amplitude nauwkeurig kan worden gemeten.
- Observeer en registreer de amplitudemetingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Om het vermogen en de prestaties van de bovenstaande opstelling te illustreren, worden representatieve resultaten van oscillerende stroming in een eenvoudig lineair microkanaal met een vierkante doorsnede gepresenteerd. De breedte en hoogte van het kanaal zijn 110 μm en de lengte is 5 cm. Eerst beschrijven we de beweging van bolvormige polystyreen tracerdeeltjes en hoe deze kunnen worden gebruikt om de getrouwheid van het oscillerende signaal te controleren, evenals het bereik van oscillatieamplitudes dat haalbaar is. Vervolgens bespreken we het effect van specifieke vloeistofeigenschappen of microfluïdische materialen op oscillatieamplitude. Ten slotte illustreren we het vermogen voor niet-sinusoïdale golfvormen.
Ter vergelijking definiëren we het referentiegeval aan de hand van de volgende vloeistofeigenschappen, kanaalgeometrie en microfluïdische materialen. De werkvloeistof is gedeïoniseerd water (μ = 1,00 mPa.s) met 0,01% volumefractie van tracerdeeltjes met diameter, d = 1 μm en dichtheid, ρ = 1,20 kg/m3. De overeenkomstige deeltjesresponstijd, gegeven door ρd2/18μ, is 70 ns, wat veel minder is dan de overeenkomstige oscillerende tijdschalen (1-100 ms). De deeltjes worden waargenomen op de middelhoge hoogte van het kanaal met een objectief van 10x en een focusdiepte van 10 μm. De microfluïdische buis heeft diameters van 1,27 mm x 0,76 mm (buiten x binnen) en een uitlaatbuislengte van 12 cm die 5 cm boven het kanaalniveau wordt gehouden.
De rupsverplaatsingen van tracerdeeltjes aan het kanaalmiddenvlak voor verschillende oscillatiefrequenties zijn weergegeven in figuur 2. Een harmonisch signaal wordt waargenomen voor alle getoonde oscillatiefrequenties, die 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz en 800 Hz zijn. De beeldsnelheid was groter dan of gelijk aan 20 keer de oscillatiefrequentie. De instelling van de amplitude (luidsprekervolume) werd constant gehouden over de verschillende oscillatiefrequenties. Voor de frequenties 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz en 800 Hz zijn de overeenkomstige amplitudes respectievelijk ongeveer 125 μm, 100 μm, 25 μm en 10 μm.
De rupsverplaatsing van deeltjes wordt ook gebruikt om de getrouwheid van de harmonische beweging en het bereik van oscillatieamplitudes te bepalen, een kritieke stap in het kalibratieproces. De getrouwheid van de harmonische verplaatsing van deeltjes bij verschillende oscillatiefrequenties en amplitudes wordt geïllustreerd met behulp van de Fourierspectra en weergegeven in figuur 3A. Voor frequenties van respectievelijk 50 Hz, 200 Hz en 400 Hz worden drie verschillende amplitudes in aanmerking genomen die worden gekenmerkt door het potentiaalverschil in de aux-kabel (of ingangsspanning van de versterker). De instellingen zijn laag (30%, 1,5 V, geel), gemiddeld (60%, 3 V, oranje) en hoog (90%, 4,5 V, rood). Hier vertegenwoordigt het percentage de grootte van de volume-instelling ten opzichte van het maximale luidsprekervolume of de overeenkomstige spanning van 5 V. De Fourierspectra van deeltjesverplaatsing bij oscillatiefrequenties van 50 Hz, 200 Hz en 800 Hz worden weergegeven in figuur 3A voor drie verschillende ingangsspanningen van de versterker (1,5 V, 3 V, 4,5 V) die overeenkomen met respectievelijk gele, oranje en rode kleuren. De primaire piek van het spectrum komt exact overeen met de toegepaste frequentie voor alle volume-instellingen. De primaire piek is > 10 keer de secundaire pieken, zelfs bij de hoogste amplitude.
Voor een ingangsspanning van een versterker van 5 V heeft de amplitude van de verplaatsing van de luidsprekerconus een maximale waarde van 5 mm en blijft constant voor frequenties tot 50 Hz en neemt vervolgens ongeveer kwadratisch af voor frequenties boven 50 Hz (bijvoorbeeld 1,5 mm bij 100 Hz). De deeltjesoscillatieramplitude in de vloeistof is evenredig met het getransduceerde vermogen dat wordt gegeven door het product van de amplitude van de luidsprekerconus en de oscillatiefrequentie. We verwachten daarom dat de oscillerende amplitude maximaal is in de buurt van de resonantiefrequentie van de luidspreker en afneemt voor frequenties aan weerszijden ervan voor een vaste ingangsspanning van de versterker. Verder mogen we ook verwachten dat de oscillerende amplitude van de vloeistof lineair varieert met de ingangsspanning van de versterker en dat de waarde ervan niet hoger kan zijn dan die van de amplitude van de luidsprekerconus.
Deze verwachtingen worden bevestigd in een plot van oscillatie amplitude versus frequentie weergegeven in figuur 3B. Voor alle luidsprekervolume-instellingen heeft de karakteristieke curve een resonantiepiek, die optreedt bij ongeveer 180 Hz, waarboven de amplitude afneemt met toenemende frequentie. De krommen bij verschillende spanningen lijken identiek, behalve verticale translaties op logschaal, wat impliceert dat de oscillerende amplitude lineair varieert met de spanning. Ten slotte is de maximale amplitude minder dan 1,5 mm, zelfs bij de resonantiefrequentie van 5 V. Niettemin kan een volume-instelling zodanig worden geselecteerd dat oscillatieamplitudes van > 100 μm over het gehele operationele frequentiebereik kunnen worden bereikt.
Vervolgens worden geselecteerde voorbeeldgevallen gepresenteerd over het effect van de vloeistofviscositeit, de buisdiameter en de buislengte op de oscillerende amplitude over het bereik van operationele frequenties met betrekking tot het hierboven beschreven referentiegeval. Voor deze experimenten wordt de amplitude van de driver (luidsprekervolume) constant gehouden op het tussenliggende niveau en wordt slechts één instellingsparameter tegelijk gewijzigd, terwijl de resterende parameters identiek zijn aan de referentiebesturingscase (diamantsymbolen). De overeenkomstige resultaten voor oscillatieamplitude versus frequentie zijn weergegeven in figuur 4. Wanneer de viscositeit van de werkvloeistof wordt verhoogd door over te schakelen op een 25% glyceroloplossing (μ = 1,81 mPa.s) neemt de amplitude af met een factor van bijna 2 over het bereik van bedrijfsfrequenties (vierkante symbolen). Dit suggereert dat, in het algemeen, het verhogen van de vloeibare viscositeit in vergelijking met die van gedeïoniseerd water zou resulteren in een vergelijkbare karakteristieke amplitude versus frequentiecurve met een constante factor afname van de amplitude. Wanneer de microfluïdische buisdiameter voor hetzelfde materiaal (polyethyleen) wordt verhoogd tot 2,41 mm x 1,67 mm, neemt de amplitude toe ten opzichte van het referentiegeval met een factor tussen 1,5-3, afhankelijk van de frequentie (cirkelsymbolen). De toename is groter bij hoge frequenties en kleiner bij lage frequenties, wat aangeeft dat de resonantiefrequentie is toegenomen. Wanneer de buislengte voor hetzelfde materiaal (polyethyleen) wordt verhoogd tot 24 cm (met een factor 2), neemt de amplitude aanzienlijk toe in de buurt van de resonantiefrequentie, maar blijft ongewijzigd ten opzichte van de referentiecontrolekast bij zeer lage en zeer hoge frequenties (driehoekssymbolen).
Naast de hierboven besproken sinusoïdale golfvormen worden ook niet-sinusoïdale golfvormen aangetoond. Deeltjesverplaatsingssporen voor vierkante, driehoeks- en zaagtandgolfvormen worden weergegeven in figuur 5A. Hier is de amplitude-instelling gemiddeld (60% van het maximum), de rijfrequentie is 100 Hz en deeltjes worden waargenomen bij 4000 frames / s. Zoals verwacht zijn zeer scherpe veranderingen in positie geassocieerd met vierkante en zaagtandgolfvormen niet mogelijk in reële systemen met een eindige responstijd. Voor dit luidsprekersysteem kan de responstijd worden geschat op 0,5 ms. Niettemin worden de Fourierspectra van deze golfvormen waargenomen als in goede overeenstemming met de ideale spectra, althans tot de derde harmonische zoals weergegeven in figuur 5B.
Figuur 1. Een schema om het ontwerp en de assemblage van het apparaat te illustreren. De belangrijkste componenten zijn (I) luidspreker, (II) luidsprekerbevestiging, (III) luidspreker-naar-buisadapter, (IV) pipetpunt-wigafdichting, (V) polyethyleenbuizen en (VI) PDMS-microkanaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Voorbeelden van deeltjesverplaatsing tijdens oscillerende stroming. Representatieve deeltjessporen tijdens sinusoïdale golfvorminvoer op verschillende frequenties werden verkregen met behulp van high-speed imaging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Analyse van deeltjesverplaatsing voor signaalgetrouwheid en amplitudebereik. (A) Fourier spectrum analyse van sinusoïdale oscillaties bij verschillende oscillatiefrequenties en amplitudes, of luidsprekervolumes. (B) De karakteristieke curve van de oscillatieamplitude versus frequentie bij drie verschillende luidsprekervolume-instellingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Effecten van buislengte, buisdiameter en vloeistofviscositeit op oscillerende amplitude. In vergelijking met het referentiegeval zal een toename van de buislengte of buisdiameter leiden tot een toename van de oscillatieamplitude over het bereik van operationele frequenties. Een toename van de viscositeit vermindert echter de oscillatieamplitude. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. Voorbeelden van niet-sinusoïdale golfvormen. (A) Deeltjesverplaatsingen voor vierkante, driehoekige en zaagtandgolfvormen bij een oscillatiefrequentie van 100 Hz. (B) De overeenkomstige Fourierspectra voor niet-sinusoïdale deeltjesverplaatsingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend dossier 1. Stereolithografiebestand om een 3D-geprinte luidsprekerbevestiging te produceren waarnaar wordt verwezen in figuur 1 (II). Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 2. Stereolithografiebestand om een 3D-geprinte luidsprekerbuisadapter te produceren waarnaar wordt verwezen in figuur 1 (III). Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We hebben de assemblage (zie protocolkritische stappen 3 en 4) en werking (zie protocolkritische stappen 5 en 6) van een extern luidsprekergebaseerd apparaat gedemonstreerd voor het genereren van oscillerende stroom met frequenties in het bereik van 10 tot 1000 Hz in microfluïdische apparaten. Deeltjestracering van gesuspendeerde tracerdeeltjes is vereist om de getrouwheid van de harmonische beweging te bepalen en om het bereik van oscillatieamplitudes te kalibreren die haalbaar zijn over het bereik van bedrijfsfrequenties. De amplitudefrequentiecurve voor een bepaalde volume-instelling hangt voornamelijk af van de kenmerken van de luidspreker, die niet kunnen worden gewijzigd (zie bespreking van luidsprekerkenmerken in representatieve resultaten voor figuur 3A,B). Voor een bepaald kanaalontwerp kan de oscillerende amplitude echter worden gewijzigd en afgestemd door de buiseigenschappen, de vloeibare viscositeit of combinaties daarvan op de juiste manier te wijzigen. We laten bijvoorbeeld in figuur 4 zien dat een grotere buisdiameter of langere buislengte de grootte van de oscillerende amplitude voor dezelfde volume-instelling kan vergroten. Toenemende viscositeit vermindert echter het bereik van oscillerende amplitudes, waardoor gebruikers een bereik van amplitudes krijgen, die zich uitstrekken van 10 μm tot 1 mm.
Het grote voordeel van deze methode is het gemak van montage, implementatie en bediening. De totale kosten van de oscillerende driver zijn minder dan $ 60 en de assemblage duurt slechts ongeveer 2 uur zodra de onderdelen zijn gekocht (zie Tabel met materialen). In tegenstelling tot alternatieve methoden voor het genereren van oscillerende stroom in microfluïdische apparaten25, legt deze methode vrijwel geen ontwerpbeperkingen op en zorgt voor een minimale doorlooptijd tot implementatie. Ondanks zijn eenvoud biedt onze methode de gebruiker verrassend nauwkeurige controle van oscillatieamplitudes met behoud van de getrouwheid van zowel sinusoïdale als niet-sinusoïdale oscillerende golfvormen. De techniek genereert ook harmonische beweging over een frequentiebereik van twee ordes in grootte. Ten slotte kan deze techniek worden gebruikt in combinatie met een stabiele stroomcomponent die wordt gegenereerd door standaard microfluïdische flowregelaars, zoals spuitpompen of drukgeneratoren, om een hoogfrequente pulsatiele stroom te genereren. Zoals eerder22,28 is aangetoond, worden de oscillerende amplitude en frequentie niet beïnvloed door de aanwezigheid van een gestage transportstroom wanneer de gestage stroomsnelheid klein is in vergelijking met de oscillerende stroomsnelheid. Deze methode is daarom ideaal voor een onderzoekslaboratoriumomgeving.
Een overeenkomstige beperking van de methode is dat de amplitude niet op de gewenste waarde kan worden ingesteld. Het moet worden gemeten en gekalibreerd op de amplitude voor een bepaald microfluïdisch kanaal. Het is momenteel niet schaalbaar en dus niet direct geschikt voor industriële toepassingen. Verdere ontwikkeling van dit apparaat zou het ontwerp van een eenvoudig membraan omvatten dat kan worden verbonden aan en bediend door de luidspreker om grotere amplitudes mogelijk te maken en de afhankelijkheid van de buizen en het microfluïdische kanaal te minimaliseren.
Over het algemeen biedt dit werk een goedkope, robuuste en aanpasbare aanpak voor het genereren van oscillerende stromen in microfluïdische kanalen in een relatief onontgonnen frequentiebereik. Deze techniek is nuttig gebleken voor de microrheologie van Newtoniaanse26 en niet-Newtoniaanse27 vloeistoffen, verbeterde menging op microschaal28 en traagheidsfocus in kanalen met een kleinere lengte22. De aanpak die in dit werk wordt beschreven, biedt een toegankelijke en aanpasbare methodologie om zuiver oscillerende stromen of pulsatiele stromen te genereren in combinatie met een constante stroom van een spuitpomp. Als gevolg hiervan kan deze handige techniek de implementatie van oscillerende stromen in bestaand onderzoek en industrieel op microschaal mogelijk maken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
We willen graag de steun en faciliteiten van het Department of Mechanical Science and Engineering Rapid Prototyping Lab aan de Universiteit van Illinois erkennen om dit werk mogelijk te maken.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
