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 uppsjöav 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 hålrum16,17. 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 listrutan.
- Ladda upp filen till en SLA-skrivare (High Precision Resin Stereolithographic), till exempel Formlabs FORM3. Häll hartset i hartskammaren och initiera tryckning och producera formen med de minsta z-axelstegen (25 mikron för Formlabs CLEAR-harts).
- Vänta tills den automatiska delutskriften är klar.
OBS: Formar med funktioner så små som 0,1 mm kan tillverkas på detta sätt. - Efter att ha tagit bort delen från hartset, agitera den i isopropanol i 5 minuter för att avlägsna eventuellt återstående harts.
- Torka formen med luft eller kvävgas i 2 min.
OBS: Konventionella mikrofluidiska formtillverkningar med kiselskivor och fotolitografi med alla SU8- eller KMPR-fotoresister kan också användas för att producera en form med mindre funktioner. - Härda det torkade möglet vid 60 °C i UV-ljus i högst 1 timme.
2. PDMS-mikrokanalstillverkning
- Lägg formen på ett ark aluminiumfolie. För att underlätta delamineringen av PDMS, spraybelägga formen med silikonformfrisättning i 1 eller 2 pass.
- Häll PDMS-harts och tvärbindare i en engångskopp i förhållandet 10: 1 i vikt och blanda med en engångssked.
- Häll den resulterande blandningen på formen för att producera en film med önskad tjocklek. För att förhindra stor kanalväggsdeformation, behåll PDMS-tjockleken på mer än 5 mm eller 3-4 gånger den maximala funktionstjockleken.
- Placera formen med hälld PDMS i avgaskammaren och stäng locket. Se till att O-ringen hermetiskt tätar kammaren.
- Stäng avgasventilen och slå på vakuumpumpen för att initiera avgasning.
- Avgasa den hällda blandningen i en vakuumpump i över 4-6 cykler med varje cykel som varar cirka 5 minuter. Ta bort eventuella återstående bubblor manuellt (i hörn och diken) med en fin tråd.
- Ställ in ugnstemperaturen på 80 °C och låt den förvärmas. Ställ in blandningen i ugnen vid 80 °C i 2 timmar för att härda.
- Ta bort den härdade formen från ugnen och låt den stå i rumstemperatur i 10 minuter för att svalna.
- Skär försiktigt ut formens kanter med en skalpell. För optimal delaminering, använd en spruta för att injicera isopropanol mellan formen och det härdade PDMS.
- Skala bort det härdade PDMS från formen och skär det i enskilda enheter med ett rakblad. Storleken på varje anordning måste variera mellan 10 mm x 10 mm och 30 mm x 70 mm för att fästas med glasskivan.
- Gör ett hål med en diameter på 1,0-3,0 mm vid inloppet och utloppet med en biopsistans.
- Slå på plasmageneratorn för handhållen radiofrekvens (RF). För att aktivera glasskivan, för trådelektroden stadigt över en ren torr glasskiva flera gånger i 2 minuter. Håll ett tråd till glasgap på cirka 5 mm. Placera enhetens sida av det härdade PDMS-systemet i kontakt med den aktiverade glasskivan och placera sedan i en ugn på 80 °C i 2 timmar.
- Skär inlopps- och utloppsslangen av polyeten till önskad längd och sätt in dem i inlopps- och utloppshålen.
- För att förhindra att röret lossnar under drift, applicera silikontätningsmedel på kontaktytan och låt härda i 2 timmar för att säkra slangen.
3. Oscillerande drivrutinsmontering
- Kläm fast alligatorklämans ändar av ett par alligator-till-stift-ledningar till terminalerna på en högtalare. Här användes en 15 W högtalare med en 8 cm kon även om andra högtalare också kan användas.
- Placera aux-kontrollchipet på en isolerande behållare. Sätt i stiftändarna i skruvuttagen på aux-styrkretsen och dra åt ordentligt med en skruvmejsel för att säkerställa anslutning.
- Anslut ena änden av en aux-kabel till styrkretsen och den andra änden till en aux-port på en dator eller smartphone.
- Anslut en 12 V likströmsadapter (DC) till strömförsörjningen. Slå på styrkretsen genom att ansluta DC-adapterns koaxialände till eluttaget.
- Använd en webbläsare och navigera till en online-tongeneratorwebbplats (t.ex. https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Skriv in önskad frekvens (5-1200 Hz) i onlineapplikationen. Bläddra i volymfältet till önskad mängd (t.ex. 100%).
- Klicka på symbolen för vågtypsgenerator och välj önskad vågform (sinus, kvadrat, triangel, sågtand). Observera att standardvärdet är en sinusvågform. Tryck på Play för att aktivera högtalaren.
4. Adapter montering
OBS: Den kompletta högtalar-till-rör-adapterenheten illustreras av schemat i figur 1.
- Fäst högtalaren (bild 1(I)) på det 3D-tryckta högtalarfästet (bild 1(II)) (se speakermount.stl i tilläggsfil 1) genom att fästa ett band över den böjda ytan och på vardera sidan av fästet.
- Orientera högtalaren vertikalt med högtalarkonens yta uppåt. Placera 3D-utskriftsadaptern (bild 1(III)) (se speakertubeadapter.stl i tilläggsfil 2) koncentriskt på högtalarkonen.
- Applicera silikon tätningsmedel generöst längs kanterna på adaptern och låt härda i 2 timmar.
- Placera högtalaren och högtalarfästet på mikroskopsteget och tejpa nedåt för att förhindra rörelse under drift.
- Skär en 200 μL mikropipettspets cirka 2 cm från dess smala ände och kassera den bredare halvan av spetsen. Den smala koniska änden kommer att fungera som en kiltätning för reversibel fastsättning.
- Anslut polyetenslangen (figur 1(V)) till mikrokanalsutloppet (figur 1(VI)) genom att först gänga genom mikropipettspetsen (figur 1(IV)) och sedan genom adapterns koaxialände och slutligen ut genom sidan.
- Kila fast den smala änden av pipettspetsen i adapterns koaxialände för att skapa en avtagbar tät tätning.
5. Drift av den experimentella installationen för oscillerande flöden i mikrokanaler
- Tillsätt spårämnespartiklar i en injektionsflaska med 22 viktprocent glycerollösning (vikt/vikt) för att producera en neutralt flytande suspension med en volymfraktion av 0,01%-0,1% polystyren i vätska vid 20 °C. Blanda kraftigt genom att skaka för att få en homogen suspension.
- Ladda en 1 ml inloppsspruta med 1 ml prov. Montera och fäst den laddade sprutan på en automatisk sprutpump. Sätt in sprutnålen i enhetens inloppsslang för att skapa en vattentät tätning.
- Se till att utloppsröret leds genom adapterenheten och in i en behållare (se föregående avsnitt om adaptermontering).
- Slå på sprutpumpen. Använd pekskärmen och välj spruttypen som Becton-Dickinson 1 ml. Välj sedan Infusera. Välj sedan önskad flödeshastighet (0-1 ml / min) eller flödesvolym (< 1 ml).
- Starta det stabila flödet med sprutpumpen. Vänta tills tillräcklig volym vätska har flödat och utloppsröret är fyllt med vätska upp till högtalaren.
OBS: Den oscillerande amplituden för en given inställning varierar inte med stadigt transportflöde om utloppsröret är grundat. - Välj önskad frekvens, amplitud och vågform i tongeneratorprogrammet enligt beskrivningen i steg 3.5 och tryck på Spela upp för att generera oscillerande flöde inuti mikrokanalen.
6. Observation och amplitudmätning
- Montera enheten på mikroskopet. Ställ in den optiska konfigurationen genom att välja en objektivlins med en förstoring mellan 10x och 40x som justerar fokalplanet och placerar scenen.
- För att få mätningar i ett väldefinierat fokalplan, se till att objektivlinsens skärpedjup är mindre än kanaldjupet med en faktor 5 eller mer.
- För att observera det oscillerande flödet, använd en höghastighetskamera med en bildhastighet på minst dubbelt så hög svängningsfrekvensen beräknad med Hjälp av Nyquists samplingssats. För en praktiskt användbar upplösning av vågformen, mät minst 10 punkter per tidsperiod med en bildhastighet > 10 gånger den för svängningsfrekvensen.
- Alternativt, för att endast observera de rektifierade eller långvariga effekterna av pulserande flöden, utför stroboskopisk avbildning genom att ställa in observationsfrekvensen till någon perfekt delare av svängningsfrekvensen.
- För både direkt och stroboskopisk avbildning, använd en kamera utrustad med en global slutare för att undvika jello-effekten. Håll i båda fallen exponeringstiden betydligt mindre än oscillationsperioden (med en faktor 10 eller mer) för att förhindra ränder.
- För att mäta oscillationsamplituden utan en höghastighetskamera, spela in med en bildhastighet som hålls nära men inte lika med den stroboskopiska bildhastigheten (t.ex. 49 bilder / s för en 50 Hz-signal). Detta resulterar i en mycket långsammare svängning från vilken amplituden kan mätas exakt.
- Observera och registrera amplitudmätningarna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 vätskeegenskaper eller mikrofluidiska material på oscillationsamplituden. Slutligen illustrerar vi förmågan för icke-sinusformade vågformer.
Som jämförelse definierar vi referensfallet med följande vätskeegenskaper, kanalgeometri och mikrofluidiska material. Arbetsvätskan är avjoniserat vatten (μ = 1,00 mPa.s) med 0,01% volymfraktion av spårpartiklar som har diameter, d = 1 μm och densitet, ρ = 1,20 kg / m3. Motsvarande partikelresponstid, given av ρd2/18μ, är 70 ns vilket är mycket mindre än motsvarande oscillerande tidsskalor (1-100 ms). Partiklarna observeras vid kanalens mitthöjd med ett 10x mål och ett fokusdjup på 10 μm. Det mikrofluidiska röret har diametrar 1,27 mm x 0,76 mm (yttre x inre) och en utloppsrörslängd på 12 cm som hålls 5 cm över kanalnivån.
De spårade förskjutningarna av spårpartiklar vid kanalmittplanet för olika svängningsfrekvenser visas i figur 2. En harmonisk signal observeras för alla oscillationsfrekvenser som visas, vilka är 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz och 800 Hz. Bildhastigheten var större än eller lika med 20 gånger svängningsfrekvensen. Inställningen för amplitud (högtalarvolym) hölls konstant över de olika svängningsfrekvenserna. För frekvenserna 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz och 800 Hz är motsvarande amplituder ungefär 125 μm, 100 μm, 25 μm respektive 10 μm.
Den spårade förskjutningen av partiklar används också för att bestämma troheten hos den harmoniska rörelsen och intervallet av oscillationsamplituder, ett kritiskt steg i kalibreringsprocessen. Troheten hos den harmoniska förskjutningen av partiklar vid olika svängningsfrekvenser och amplituder illustreras med fourierspektra och visas i figur 3A. För frekvenser på 50 Hz, 200 Hz respektive 400 Hz beaktas tre olika amplituder som kännetecknas av potentialskillnaden i aux-kabeln (eller förstärkarens ingångsspänning). Inställningarna heter låg (30%, 1,5 V, gul), mellanliggande (60%, 3 V, orange) och hög (90%, 4,5 V, röd). Här representerar procentsatsen storleken på volyminställningen med avseende på den maximala högtalarvolymen eller motsvarande spänning på 5 V. Fourierspektra för partikelförskjutning vid svängningsfrekvenser på 50 Hz, 200 Hz och 800 Hz visas i figur 3A för tre olika förstärkarinmatningsspänningar (1,5 V, 3 V, 4,5 V) motsvarande gula, orange respektive röda färger. Spektrumets primära topp motsvarar exakt den tillämpade frekvensen för alla volyminställningar. Den primära toppen är > 10 gånger de sekundära topparna, även vid den högsta amplituden.
För en förstärkaringångsspänning på 5 V har amplituden för högtalarkonförskjutningen ett maximalt värde på 5 mm och förblir en konstant för frekvenser upp till 50 Hz och minskar sedan ungefär kvadratiskt för frekvenser över 50 Hz (t.ex. 1,5 mm vid 100 Hz). Partikeloscillationsamplituden i vätskan är proportionell mot den effekt som transduceras av produkten från högtalarkonamplituden och oscillationsfrekvensen. Vi förväntar oss därför att den oscillerande amplituden är maximal nära högtalarresonansfrekvensen och minskar för frekvenser på vardera sidan av den för en fast förstärkaringångsspänning. Vidare kan vi också förvänta oss att vätskans oscillerande amplitud varierar linjärt med förstärkarens ingångsspänning och dess värde kan inte överstiga högtalarkonamplituden.
Dessa förväntningar bekräftas i ett diagram över oscillationsamplitud kontra frekvens som visas i figur 3B. För alla högtalarvolyminställningar har den karakteristiska kurvan en resonanstopp, som uppträder vid cirka 180 Hz, bortom vilken amplituden minskar med ökande frekvens. Kurvorna vid olika spänningar verkar identiska förutom vertikala översättningar i logskala som innebär att den oscillerande amplituden varierar linjärt med spänningen. Slutligen är den maximala amplituden mindre än 1, 5 mm även vid resonansfrekvensen 5 V. Ändå kan en volyminställning väljas så att oscillationsamplituder på > 100 μm kan uppnås över hela driftsfrekvensområdet.
Därefter presenteras utvalda exempelfall på effekten av vätskeviskositeten, rördiametern och rörlängden på den oscillerande amplituden över intervallet av driftsfrekvenser med avseende på referensfallet som beskrivs ovan. För dessa experiment hålls drivrutinsamplituden (högtalarvolymen) konstant på mellannivå och endast en inställningsparameter ändras åt gången medan de återstående parametrarna är identiska med referenskontrollfodralet (diamantsymboler). Motsvarande resultat för oscillationsamplitud kontra frekvens visas i figur 4. När viskositeten hos arbetsvätskan ökas genom att byta till en 25% glycerollösning (μ = 1,81 mPa.s) minskar amplituden med en faktor på nästan 2 över intervallet av driftsfrekvenser (fyrkantiga symboler). Detta tyder på att i allmänhet skulle en ökning av vätskeviskositeten jämfört med den för avjoniserat vatten resultera i en liknande karakteristisk amplitud kontra frekvenskurva med en konstant faktorminskning i amplituden. När den mikrofluidiska slangdiametern för samma material (polyeten) ökas till 2,41 mm x 1,67 mm ökar amplituden jämfört med referensfallet med en faktor mellan 1,5-3 beroende på frekvens (cirkelsymboler). Ökningen är större vid höga frekvenser och mindre vid låga frekvenser, vilket indikerar att resonansfrekvensen har ökat. När rörlängden för samma material (polyeten) ökas till 24 cm (med en faktor 2) ökar amplituden signifikant nära resonansfrekvensen men förblir oförändrad från referenskontrollfallet vid mycket låga och mycket höga frekvenser (triangelsymboler).
Förutom de sinusformade vågformerna som diskuterats ovan demonstreras också icke-sinusformade vågformer. Partikelförskjutningsspår för kvadratiska, triangel- och sågtandvågformer visas i figur 5A. Här är amplitudinställningen mellanliggande (60% av maximalt), körfrekvensen är 100 Hz och partiklar observeras vid 4000 bilder / s. Som förväntat är mycket kraftiga förändringar i position i samband med kvadratiska och sågtandvågformer inte möjliga i verkliga system med en begränsad responstid. För detta högtalarsystem kan svarstiden uppskattas till 0,5 ms. Ändå observeras Fourier-spektra för dessa vågformer vara i god överensstämmelse med de ideala spektra, åtminstone fram till den tredje harmoniska som visas i figur 5B.
Figur 1. Ett schema för att illustrera apparatens design och montering. De kritiska komponenterna är (I) högtalare, (II) högtalarfäste, (III) högtalar-till-rör-adapter, (IV) pipettspets kiltätning, (V) polyetenrör och (VI) PDMS-mikrokanal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Exempel på partikelförskjutning under oscillerande flöde. Representativa partikelspår under sinusformad vågformsinmatning vid olika frekvenser erhölls med användning av höghastighetsavbildning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Analys av partikelförskjutning för signaltrohet och amplitudområde. (A) Fourierspektrumanalys av sinusformade svängningar vid olika svängningsfrekvenser och amplituder, eller högtalarvolymer. (B) Den karakteristiska kurvan för oscillationsamplituden kontra frekvensen vid tre olika högtalarvolyminställningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Effekter av rörlängd, rördiameter och vätskeviskositet på oscillerande amplitud. Jämfört med referensfallet kommer en ökning av rörlängden eller rördiametern att leda till en ökning av oscillationsamplituden över området för driftsfrekvenser. En ökning av viskositeten minskar emellertid oscillationsamplituden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Exempel på icke-sinusformade vågformer. (A) Partikelförskjutningar för kvadratiska, triangulära och sågtandvågformer vid en svängningsfrekvens på 100 Hz. (B) Motsvarande Fourier-spektra för icke-sinusformade partikelförskjutningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande fil 1. Stereolitografifil för att producera ett 3D-tryckt högtalarfäste som avses i figur 1 (II). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 2. Stereolitografifil för att producera en 3D-tryckt högtalarrörsadapter som avses i figur 1 (III). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 volyminställning beror främst på talarens egenskaper, som inte kan ändras (se diskussion om högtalaregenskaper i representativa resultat för figur 3A,B). För en viss kanalkonstruktion kan emellertid den oscillerande amplituden modifieras och ställas in genom att på lämpligt sätt ändra slangegenskaperna, vätskeviskositeten eller kombinationer därav. Till exempel visar vi i figur 4 att en större rördiameter eller längre rörlängd kan öka storleken på den oscillerande amplituden för samma volyminställning. Ökad viskositet minskar emellertid intervallet av oscillerande amplituder, vilket ger användarna ett antal amplituder, som sträcker sig från 10 μm till 1 mm.
Den betydande fördelen med denna metod är dess enkla montering, implementering och drift. Hela kostnaden för den oscillerande drivrutinen är mindre än $ 60 och dess montering tar bara cirka 2 timmar när delarna har köpts (se materialtabell). Till skillnad från alternativa metoder för att generera oscillerande flöde i mikrofluidiska enheter25, innebär denna metod praktiskt taget inga designbegränsningar och säkerställer minimal ledtid till implementering. Trots sin enkelhet tillåter vår metod användaren överraskande exakt kontroll av oscillationsamplituder samtidigt som troheten hos både sinusformade och icke-sinusformade oscillerande vågformer bibehålls. Tekniken genererar också harmonisk rörelse över ett frekvensområde på två ordningar i storlek. Slutligen kan denna teknik användas tillsammans med en stadig flödeskomponent som genereras av standard mikrofluidiska flödesregulatorer, såsom sprutpumpar eller tryckgeneratorer, för att generera ett högfrekvent pulserande flöde. Som tidigarevisats 22,28 påverkas inte den oscillerande amplituden och frekvensen av närvaron av ett stadigt transportflöde när den stabila flödeshastigheten är liten jämfört med den oscillerande flödeshastigheten. Denna metod är därför idealisk för en forskningslaboratoriemiljö.
En motsvarande begränsning av metoden är att amplituden inte kan ställas in på önskat värde. Den måste mätas och kalibreras till amplituden för en given mikrofluidisk kanal. Det är för närvarande inte skalbart och därmed inte omedelbart lämpligt för industriella applikationer. Vidareutveckling av denna apparat skulle involvera utformningen av ett enkelt membran som kan bindas till och aktiveras av högtalaren för att möjliggöra större amplituder och minimera beroendet av slangen och mikrofluidikkanalen.
Sammantaget ger detta arbete ett billigt, robust och anpassningsbart tillvägagångssätt för att generera oscillerande flöden i mikrofluidiska kanaler i ett relativt outforskat frekvensområde. Denna teknik har visat sig vara användbar för mikrorheologin hos Newtonian26 och icke-Newtonian27 vätskor, förbättrad blandning i mikroskala28 och tröghetsfokusering i kanaler med reducerad längd22. Tillvägagångssättet som beskrivs i detta arbete ger en tillgänglig och anpassningsbar metod för att generera rent oscillerande flöden, eller pulserande flöden i kombination med ett stadigt flöde från en sprutpump. Som ett resultat kan denna praktiska teknik möjliggöra implementering av oscillerande flöden i befintlig forskning och industri på mikroskala.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi vill erkänna det stöd som ges och faciliteter som tillhandahålls av Institutionen för maskinvetenskap och teknik Rapid Prototyping Lab vid University of Illinois för att möjliggöra detta arbete.
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).
