مقالة منهجية

ثلاثي الأبعاد طباعة المواد الحرارية لخلق الآلي المحاقن مضخات مع مراقبة التغذية المرتدة للتطبيقات موائع جزيئية

DOI:

10.3791/57532

⸱

أغسطس 30, 2018

 ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 2Department of Mechanical Engineering, Carnegie Mellon University

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم هنا بروتوكولا لبناء مضخة حقنه تسيطر عليها ضغط لاستخدامها في تطبيقات موائع جزيئية. هذه المضخة محقنة مصنوعة من الجسم ثنائيو المصنعة والأجهزة الجاهزة والإلكترونيات مفتوحة المصدر. النظام الناتجة منخفضة التكلفة، ومباشرة لبناء، ويسلم تدفق السائل جيد التنظيم لتمكين البحث السريع موائع جزيئية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ميكروفلويديكس أصبحت أداة حاسمة في البحث عبر البيولوجية، والكيميائية، والعلوم الفيزيائية. أحد المكونات الهامة للتجريب موائع جزيئية سائل مستقرة التعامل مع نظام قادر على توفير دقة معدل التدفق مدخل أو الضغط مدخل. هنا، قمنا بتطوير نظام ضخ حقنه قادرة على السيطرة وتنظيم ضغط السائل مدخل تسليمها إلى جهاز موائع جزيئية. تم تصميم هذا النظام باستخدام مواد منخفضة التكلفة ومبادئ التصنيع المضافة، الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) المواد الحرارية والمكونات الجاهزة كلما كان ذلك ممكناً. يتكون هذا النظام من ثلاثة عناصر رئيسية: مضخة الحقن، ضغط على المفاتيح ومتحكم القابلة لبرمجة. ضمن هذه الورقة، ونحن بالتفصيل مجموعة من البروتوكولات لاختلاق وتجميع وبرمجة هذا النظام مضخة الحقن. وعلاوة على ذلك، أدرجنا النتائج التمثيلية التي تثبت عالية الدقة، مراقبة التغذية المرتدة من مدخل الضغط باستخدام هذا النظام. ونحن نتوقع هذا البروتوكول سوف تسمح للباحثين افتعال أنظمة ضخ حقنه منخفضة التكلفة، خفض حاجز الدخول لاستخدام ميكروفلويديكس الكيميائية في الطب الأحيائي، وبحوث المواد.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أصبحت موائع جزيئية أدوات مفيدة للعلماء في مجال البحوث البيولوجية والكيميائية. نظراً لانخفاض حجم الاستخدام، وقدرات القياس السريع، والتشكيلات الجانبية لتدفق محددة تحديداً جيدا، وقد اكتسب ميكروفلويديكس الجر في الجينوم والبروتين البحث والفرز الفائق، والتشخيصات الطبية، وتكنولوجيا النانو وخلية واحدة تحليل1،2،،من34. وعلاوة على ذلك، يتيح مرونة تصميم الجهاز موائع جزيئية سهولة بحوث العلوم الأساسية، مثل التحقيق في ديناميات الزمانية المكانية للمستعمرات البكتيرية مثقف5.

قد وضعت العديد من أنواع أنظمة حقن السوائل دقة تقديم تدفق إلى أجهزة موائع جزيئية. تتضمن أمثلة هذه النظم حقن تحوي و مضخات تدوير6و أنظمة تحكم الضغط7، والمحاقن مضخات8. نظم حقن هذه، بما في ذلك مضخات الحقن، تتكون غالباً من مكونات الدقة تكلفة إجراء هندسة عكسية. ويضيف زيادة هذه النظم مع مراقبة التغذية المرتدة مغلقة للضغط في تدفق الإخراج إلى التكلفة لهذه النظم. ردا على ذلك، أننا سبق أن وضعت نظام ضخ حقنه قوية، منخفضة التكلفة يستخدم مراقبة التغذية المرتدة مغلقة لتنظيم تدفق أنتج الضغط. باستخدام التحكم في الضغط مغلقة، هو الحاجة إلى تكلفة المكونات المهندسة الدقة ملغاة9.

التركيبة من الأجهزة 3D-الطباعة بأسعار معقولة وحدوث نمو كبير في البرمجيات المفتوحة المصدر المرتبطة بها جعلت تصميم وتصنيع أجهزة موائع جزيئية متزايد متاحة للباحثين من مختلف التخصصات10. بيد أن النظم المستخدمة للسوائل بالسيارة من خلال هذه الأجهزة لا تزال باهظة الثمن. ولتلبية هذه الحاجة لإنشاء نظام مراقبة السوائل منخفضة التكلفة، قمنا بتطوير تصميم التي يمكن أن تكون ملفقة من الباحثين في المختبر، ويتطلب سوى عدد قليل من الخطوات الجمعية. على الرغم من جمعيتها منخفضة التكلفة وبسيطة، هذا النظام يمكن أن توفر التحكم بالانسياب الدقيق ويوفر بديلاً لأنظمة مضخة حقنه المتاحة تجارياً، حلقة مغلقة، التي يمكن أن تكون باهظة التكاليف.

هنا، نحن نقدم البروتوكولات للبناء واستخدام حلقة المغلقة تسيطر المحاقن نظام مضخة وضعنا (الشكل 1). السائل التعامل مع نظام يتكون من مضخة حقنه البدنية مستوحاة من دراسة سابقة11ومتحكم، وجهاز استشعار ضغط بيزوريسيستيفي. عند تجميعها وبرمجتها مع وحدة تحكم (PID) نسبي-متكاملة-مشتق، النظام قادرة على تحقيق تدفق جيد التنظيم، التي تعتمد على الضغط لأجهزة موائع جزيئية. وهذا يوفر بديلاً منخفض التكلفة ومرنة للمنتجات التجارية ذات التكلفة العالية، تمكين مجموعة أوسع نطاقا من الباحثين لاستخدام ميكروفلويديكس في عملهم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-3D الطباعة والجمعية مضخة الحقن

  1. إعداد وطباعة 3D المحاقن مضخة المكونات
    1. تحميل. STL تصميم ملفات من ملفات تكميلية لهذه الورقة.
      ملاحظة: هناك ستة. ملفات STL، تحت عنوان 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl'، 'JoVE_Syringe_Platform.stl'، 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl'، 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl'، 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl'، و ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl '، في الملفات الإضافية. هذه الملفات تتوافق مع مكونات طباعة 3D مضخة الحقن.
    2. إعداد هذه الملفات للطباعة بفتحها في حزمة برامج مخصصة للتحويل. ملفات نموذج STL لإرشادات القابل للتنفيذ يحدد 3D-الطابعة المستخدمة. التأكد من أن البرنامج الصحيح هو يتم استخدامه على أنه سوف تتطلب بعض الطابعات البرمجيات المسجلة الملكية، في حين أن البعض الآخر قد تكون قادراً على طباعة مباشرة من. ملف STL.
    3. طباعة المكونات البلاستيكية باستخدام ستايرين بوتادين أكريلونيتريل (ABS) مع إعداد طابعة 3D عالية الجودة. إذا كانت تستخدم مواد أخرى 3D الطباعة الشائعة، مثل حامض اللبنيك (جيش التحرير الشعبي) أو غيرها من اللدائن الحرارية، تأكد من أن الخصائص الميكانيكية الانتهاء (مثلاً، والمرونة، ومقاومة الخضوع) قابلة للمقارنة بالقيمة المطلقة.
    4. فصل الأجزاء المطبوعة من منصة الطباعة 3D-الطابعة. إزالة هيكل دعم مطبوعة من أجزاء الانتهاء.
      ملاحظة: تم تصميم هيكل داعم بالبرامج الخاصة بالطابعة المستخدمة لتحويل. تعيين ملفات نموذج STL للتعليمات للتنفيذ 3D-الطابعة. حجم وهيكل المواد الداعمة قد تختلف استناداً إلى البرمجيات المستخدمة.
    5. متجانسة المكونات المطبوعة بواسطة الرملي أي حواف خشنة باستخدام الصنفرة. للحصول على أفضل النتائج، استخدم الصنفرة مع حجم حصى ما يقرب من 220. تأكد من أن كل المكونات السلس قبل تجميع.
    6. تأكد من أنه قد تم طبع كل سبعة أجزاء.
      ملاحظة: لقد تم تسمية هذه الأجزاء التالية: (ط) موصل موتور، دفع المسافر (ثانيا)، (ثالثا) نهاية وقف، منصة المحاقن (رابعا)، المشبك المحاقن (V)، (سادسا) حقنه المكبس موصل الذكور و (السابع) حقنه المكبس الإناث موصل. الرقم الروماني لكل مكون يتم المشار إليها في الشكل 2A. تم العثور على قائمة مفصلة من الأجزاء الميكانيكية للجمعية العامة في الجدول للمواد.
  2. تجميع مضخة الحقن (الشكل 2)
    1. ربط المحرك السائر على قضيب خيوط استخدام رمح موتور محور ع مقرنة مرنة مع مجموعة مسامير. قبل المتابعة، تأكد من أن تدوير محركات السيارات شافت السائر على قضيب الخيوط دون انزلاق.
    2. قم بتوصيل منصة حقنه موصل السيارات بالضغط إيمانا راسخا اتصال أوتاد حقنه في المنصة في الثقوب التزاوج فوق الموصل موتور.
    3. إرفاق الجزء المجتمعون في خطوة 1.2.1 الجزء في خطوة 1.2.2 بابزيم أربعة مسامير 16 مم من خلال رابط المحركات.
    4. إدراج اثنين من محامل الخطي والجوز عرافة 0.8 ملم في الفتحات الموجودة على الجزء السفلي من دفع المسافر.
    5. محاذاة على قضيب الخيوط في الموصل بالسيارات عن طريق الجوز عرافة 0.8 ملم في دفع المسافر.
    6. إدراج مهاوي خطي اثنين من خلال دفع المسافر والموصل الحركي.
    7. ضع المكسرات عرافة اثنين في المساحات سداسية قطعة موصل موتور، وثم استخدام اثنين من البراغي 16 مم لتشديد الاتصالات، تأمين مهاوي الخطية من التحرك.
    8. إدراج واضعا الكرة في افتتاح المحطة نهاية الأوسط.
    9. الاتصال توقف نهاية مع المكونات المجمعة من الخطوة 1.2.7.
    10. مكان اثنين المكسرات عرافة في المساحات سداسية للنهاية وقف قطعة، وثم استخدام اثنين من البراغي 16 مم لتشديد الاتصالات بإلصاق توقف نهاية إلى الجمعية العامة.
    11. إرفاق حقنه المكبس موصل أنثى القطعة قطعة دفع المسافر استخدام اثنين من المكسرات قفل الصلب واثنين من البراغي 16 مم.
    12. مكان حقنه 10 مل على رأس المضخة. ضمان محاذاة رأس المكبس في الشق قطعة موصل أنثى المكبس المحاقن وهو ثابت أعلى البرميل حقنه في فتحه موصل موتور.
    13. إدراج قطعة موصل الذكور المكبس حقنه حقنه المكبس أنثى الرابط. التأكد من أن هناك تناسب بين مكونات ذكوراً وإناثاً، تأمين المكبس في مكان ضيق.
    14. قم بتوصيل المشبك حقنه منهاج حقنه باستخدام المكسرات عرافة اثنين واثنين من البراغي 35 مم، ضمان ثابت للبرميل حقنه في فتحه المشبك المحاقن.

2-إعداد الجهاز موائع جزيئية

  1. اختﻻق قوالب رئيسية باستخدام الطباعة الحجرية التصويرية
    ملاحظة: يمكن إجراء تفصيل تصميم وتصنيع قوالب رئيسية لتصنيع جهاز موائع جزيئية في الأدب السابق12.
    1. استخدام البرامج المفضلة التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)، إنشاء الرسومات المطلوبة النبائط وطباعته على لوح الزجاج أو الكوارتز.
      ملاحظة: مواد أخرى قد تكون مقبولة استناداً إلى متطلبات راصفة قناع المستخدمة. عادة يتم إكمال طباعة هذه فوتوماسكس قبل بائع طرف ثالث.
    2. استخدام أساليب الطباعة الحجرية التصويرية لإنشاء قالب رئيسي من النبائط. تنفيذ هذا الإجراء في بيئة تنظيم.
    3. يعرض القالب الرئيسي ملفقة لبخار فلوروسيلاني في مجفف فراغ.
      ملاحظة: هذه العملية يسهل الإفراج عن بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) من العفن الرئيسي عند اختﻻق أجهزة موائع جزيئية. للتعامل مع القالب الرئيسي، إضافة ثلاث قطرات فلوروسيلاني في كوب ووضع في الكأس في فراغ غرفة.
    4. تطبيق فراغ لإغلاق 1 دقيقة فراغ الغرفة ولكن الحفاظ على القالب الرئيسي في الدائرة لمدة 30 دقيقة للسماح للترسب فلوروسيلاني. وكإجراء وقائي سلامة، تنفيذ هذا الإجراء في غطاء دخان للحد من التعرض للبخار فلوروسيلاني خطرة.
  2. اختﻻق أجهزة PDMS
    1. وزن البوليمر قبل PDMS في قارب وزنها. على الرغم من أن قد تختلف سمك الجهاز PDMS النهائية المرجوة، 30 غرام بوليمر قبل يعمل بشكل جيد على درجة ماجستير العفن من 100 ملم في القطر.
    2. قياس، وإضافة عامل علاج في 01:10 نسبة إلى البوليمر السابقة. لقالب رئيسي لقطر 100 ملم، إضافة الجيل الثالث 3g عميل علاج.
    3. مزيج الوكيل البوليمر قبل وعلاج بقوة باليد باستخدام ملعقة المتاح. بعد 30 s، تحقق من أن هناك الصغيرة، مفصولة بانتظام فقاعات الهواء في الحل، وتشير إلى البوليمر قبل وعلاج وكلاء، مختلطة جيدا.
    4. ضع القالب الرئيسي في لوحة ثقافة وصب الخليط PDMS على رأس القالب الرئيسي بعناية.
      ملاحظة: قد تختلف عن سمك الجهاز PDMS المطلوب تطبيقه.
    5. ديغا المخلوط في مجفف فراغ للتأكد من أن لا فقاعات يمكن ملاحظتها داخل الخليط في الساعة 1. إذا كان هناك أي فقاعات الحالية، الإفراج عن ضغط الفراغ بسرعة ومن ثم إعادة تطبيق فراغ. واسمحوا المخلوط الجلوس لمدة 10 دقيقة على الأقل بعد هذا الإجراء.
    6. حرك الخليط PDMS إلى فرن في 90 درجة مئوية. السماح الخليط لعلاج لمدة 30 دقيقة.
    7. إزالة PDMS من القالب الرئيسي. قطع في PDMS إلى الأبعاد المطلوبة باستخدام شفرة حلاقة. ارتداء قفازات للحد من التعرض للملوثات PDMS.
    8. لكمه ثقوب لمداخل ومخارج المنافذ بإبرة الاستغناء عن ز 23. ولتسهيل هذه العملية، ملف الإبرة مع ملف معدني أو الصنفرة شحذ نهايات حادة. التأكد من أن اسطوانة يتخللها من PDMS هو إزالتها من الإبرة بعد كل ثقب.
      ملاحظة: يمكن استخدام الإبر مع أحجام مختلفة اللكم الثقوب. تأكد من الحجم أكبر قليلاً من الإبر المستخدمة في الخطوة 3 من هذا البروتوكول.
    9. أغسل PDMS مع المياه التي تمت تصفيتها وأيردري PDMS استخدام مصدر الهواء أو النتروجين مزودة بفلتر 0.2 ميكرون.
      ملاحظة: الضغط الدقيق غير الحرجة، ومصدر غاز مضغوط من نظام مركزي لمبنى يعمل جيدا لهذه الخطوة.
    10. تنظيف الركازة غطاء زجاج البورسليكات رقم 1 مع خافض للتوتر السطحي، مثل منظفات المجفف، وأيردري باستخدام مصدر هواء مضغوط مزودة بفلتر 0.2 ميكرون. تنظيف جيدا كالزجاج غطاء غالباً هي مغلفة بمواد تشحيم مسعور وهو غير قادر على ربط PDMS إلا أنه يتم تنظيف بشكل صحيح.
    11. استخدام الشريط حساسة للضغط، لمسة خفيفة PDMS لإزالة أي بقايا الغبار. لا تضغط لضمان عدم المساس بميزات مصبوب، مع كميات كبيرة من القوة على الشريط.
    12. ضع الجهاز PDMS وتنظيفها زجاج الغطاء إلى بلازما الأوكسجين النظيف للحد الأدنى 1 ضمان اللون من غرفة البلازما أنظف الأرجواني مشرق أثناء العملية. تأكد من أن الجهاز PDMS معالمه مصبوب المكشوفة، والوجه للأعلى، في البلازما أنظف.
    13. تأخذ PDMS والزجاج غطاء من البلازما أنظف ومكان الزجاج غطاء، الوجه للأسفل، على الجهاز PDMS.
      ملاحظة: هذا سوف يسبب الزجاج غطاء و PDMS السندات على الفور تقريبا. إذا كان الربط غير مرئي، اضغط برفق زجاج الغطاء إلى PDMS في قسم من PDMS تخلو من ميزات مصبوب. يجب أن يتسبب هذا الترابط أن يحدث بين PDMS وزجاج الغطاء.
    14. وضع الجهاز PDMS في فرن عند 90 درجة مئوية على الأقل 12 ح للتأكد من PDMS والزجاج غطاء جيدا المستعبدين.

3-محقنة تسيطر عليها ردود فعل مضخة نظام الجمعية

  1. إزالة مبلغ مناسب لطول مدة العزل الأسلاك والتدريع من الكابلات جهاز استشعار الضغط الكهربائية باستخدام الشفرة. أن يكون لطيف عندما قطع لضمان عدم المساس بالأسلاك أعلاه الطول المطلوب. مرة واحدة يتم إزالة العزل والتدريع، توصيل الأسلاك للذكور موصلات مستطيلة.
  2. باستخدام نهج مماثل للخطوة السابقة، إزالة 1-2 سم لعزل الأسلاك من العملاء المتوقعين للمحرك السائر وتوصيل الأسلاك للذكور موصلات مستطيلة.
  3. إلصاق المحاقن على جانب مدخل لاستشعار الضغط. قم بتوصيل إبرة الاستغناء عن 22 ز إلى جانب منفذ جهاز استشعار الضغط.
  4. شريحة واحدة من نهاية أنابيب قطرها سم 0.51 عبر الإبرة الاستغناء عن ز 22 يعلق على استشعار الضغط.
  5. الشريحة على الطرف الآخر من أنابيب قطرها سم 0.51 عبر إبرة الاستغناء عن ز 22 التي يمكن توصيلها بالجهاز موائع جزيئية. قم بتوصيل الإبرة إلى منفذ مدخل الجهاز موائع جزيئية.
  6. قم بتوصيل المنفذ منفذ جهاز موائع جزيئية خزان التخلص من نفايات باستخدام إبرة ز 22 وأنابيب قطرها سم 0.51، مماثلة لاتصال مدخل الميناء.
  7. قم بتجميع الدوائر الإلكترونية على التوصيل النماذج وفقا للمخطط في الشكل 3.
    ملاحظة: يعمل هذا التوصيل شرط الإشارة من أجهزة الاستشعار والضغط أن ترصدها متحكم. يمكن استخدام ميكروكنترولر متوافقة أخرى لرصد إشارة استشعار الضغط.
  8. قم بتوصيل الأسلاك من المحرك السائر مع السائق السائر المحركات. قم بتوصيل الأسلاك من استشعار الضغط والسائق السائر المحركات مع التوصيل حسب التخطيطي في الشكل 3. أسلاك مكشوفة من استشعار الضغط مرمزة، وينبغي أن تكون متصلة على النحو التالي: ينبغي الاتصال الأحمر V + وينبغي الاتصال بلاك الخامس-وينبغي الاتصال الأخضر إشارة + والأبيض ينبغي الاتصال بإشارة-.
  9. توصيل الإشارة الناتج من التوصيل مع طرف الإدخال التناظري على متحكم دقيق.
  10. قم بتوصيل دبابيس منطق الإدخال من السائق السائر موتور بدبابيس الرقمية على متحكم دقيق. خطوة الإدخال على السائق السائر موتور متصل مع منفذ عرض والتضمين (بوم) نبض من دبابيس الرقمية على متحكم دقيق، النطاق المرمز إليه بواسطة '~' تسجيل الدخول.
  11. قم بتوصيل إمدادات الطاقة مع التوصيل وفقا للمخطط في الشكل 3. تعيين إمدادات الطاقة إلى 10 الخامس للتوصيل وسائق السيارات السائر.

4. معايرة جهاز استشعار الضغط

ملاحظة: استناداً إلى مكبر للصوت المختار في هذه الورقة، هو الصيغة لحساب الربح G = 5 + (200 ك/Rز) مع RG = R1 و G = كسب مكبر للصوت. كسب مكبر للصوت هنا هو حوالي 606. يمكن تغيير هذه القيمة عن طريق تغيير المقاومة تستخدم R1. وبالإضافة إلى ذلك، مستوى المجلس متحكم المنطق هو 5 الخامس وهو مدعوم القياس مع 10 الخامس، يتم استخدام دارة مقسم الجهد بسيط، R2 و R3، للحفاظ على الناتج إشارة أن لا يزيد عن 5 الخامس.

  1. تنزيل وتثبيت (IDE) بيئة التطوير المتكاملة المناسبة لمتحكم دقيق.
  2. تحميل التعليمة البرمجية تحكم تحت عنوان 'Pressure_Sensing.ino' من "الملفات الإضافية". استخدام هذا الرمز الحصول على إشارة الضغط من أجهزة استشعار الضغط المزدوج.
    ملاحظة: تشمل متحكم وتحكم التعليمات البرمجية المستخدمة في هذه الورقة دبابيس المدخلات التناظرية مع قرار 10 بت قراءة الإشارات التناظرية من أجهزة الاستشعار والضغط كل ms 200 ليفجر السائر المحركات. عدد analogRead() في القوس الذي يتوافق مع طرف الإدخال التناظري متصلاً بإشارة الإخراج من دارة مقسم الجهد في الدائرة استشعار الضغط في الشكل 3. يمثل المتغير تأخير الفاصل الزمني في الذي يتم إعادة تقييم الإشارات والإخراج تبعاً لذلك، في مرض التصلب العصبي المتعدد.
  3. تطبيق الضغوط المعروفة إلى المدخل من أجهزة الاستشعار مع منفذ توج وقياس إشارة الإخراج الناتجة عن ذلك.
    ملاحظة: يستخدم أسلوب بسيط لمعايرة جهاز استشعار الضغط خزان المياه المعقود في ارتفاعات متفاوتة. سوف تسمح ضغط الجاذبية الناتجة عن اكتشاف أحد لمعايرة جهاز استشعار الضغط.
  4. ارسم الرسم التخطيطي مع معايرة الضغط المطبق (السلطة الفلسطينية) على المحور السيني وإشارة الضغط (V) على المحور الصادي للحصول على قيمة رقمية من التقاطع y.
  5. وتنطبق هذه القيمة العددية في التعليمات البرمجية وحدة تحكم، مثل المتغيرات sensor1Offset و sensor2Offset في التعليمات البرمجية 'Dual_Pump_PID_Control.ino' من الملفات الإضافية، لمعايرة قيمة الضغط في نظام مراقبة التغذية المرتدة.

5-التقاط الصور من الجهاز موائع جزيئية

  1. متحكم بالاتصال المفتوحة المصدر واحد كمبيوتر عبر واجهة تسلسلية حيث أن الصورة استولت عليها قياسات الضغط المشغلات الدقيقة الواجب اتخاذها قبل متحكم دقيق.
  2. قم بتوصيل وحدة نمطية كاميرا أدلى للكمبيوتر واحد إلى واحد من العين-قطعة من ستيريوميكروسكوبي. وهنا، يستخدم تكبير X 20 صورة أجهزة موائع جزيئية.

6-التحكم في مضخات الضغط حقنه

  1. فتح IDE لمتحكم المصدر المفتوح. تحميل Timer.h13 و14 AccelStepper.h المكتبات إلى دليل مكتبة لمتحكم IDE.
  2. تحميل التعليمة البرمجية تحكم تحت عنوان 'Dual_Pump_PID_Control.ino' من الملفات الإضافية. يتم استخدام هذا الكود التحكم في نظام ضخ حقنه تسيطر على ردود الفعل مع مضخات اثنين.
  3. برنامج التعليمات البرمجية التحكم بحيث يناسب التجربة التي تجري. قم بتعديل معلمات عنصر التحكم أو معلمات توقيت لتناسب الاستجابة المطلوبة ومدة التجربة. ترجمة وتحميل التعليمة البرمجية إلى متحكم دقيق قبل تشغيل التجربة.
    ملاحظة: في التعليمات البرمجية وحدة تحكم، تستخدم القيم setPoint1/2 لتغيير مستوى الضغط وتستخدم قيم stepper1/2Out لضبط سرعة المضخة. وتناظر القيمتين الأخيرتين في العمود stepper1/2 أكسيلستيبير رقم المنفذ على متحكم دقيق. المتغير ميليتيمينج يملي تكرار قراءة الإشارات التمثيلية من أجهزة استشعار الضغط والمتغير برينتيمينج يملي تكرار إخراج قيم السرعة والضغط إلى جهاز تسلسلي للتفتيش. جميع الوحدات بالسيدة يتم تحديد المتغير ماكسيرور من مستوى المجلس متحكم المنطق. يتم استخدام قيمة 5 هنا متحكم دقيق في هذا البروتوكول هو 5 الخامس.
  4. قم بتشغيل وحدة الإمداد بالطاقة لنظام مضخات الحقن. تعيين الجهد إلى 10 الخامس للإمداد بالطاقة الحركية السائر.

7-ضبط معايير تحكم PID

ملاحظة: قد تختلف قيم المعلمات تحكم مثالي اعتماداً على التطبيق وهندسة الجهاز موائع جزيئية. على سبيل المثال، للدراسات الطويلة الأجل (ساعات)، ثابت يتناسب مع انخفاض (Kp) قد يكون من الأفضل للتقليل من الانحسار على حساب وقت الاستجابة. هذه المفاضلات تعتمد على الظروف التجريبية والأهداف.

  1. لحن المراقب المالي، واستخدام نهج يدوي، بأول تعديل ثابت يتناسب مع (Kp) لتحسين وقت الاستجابة لدالة الخطوة.
    ملاحظة: على الرغم من أن نهج حسابي قد تستخدم، دليل ضبط يعمل للتطبيقات موائع جزيئية سيظهر في هذه الورقة.
  2. بعد ذلك، تغيير متكاملة (كي) والتفضيلية (دينار كويتي) معلمات التقليل إلى أدنى حد الانحسار وضمان استقرار النقطة المحددة.
  3. تعيين قيم معرف المنتج لمتغيرات عملية كيمبرلي، وكي، ودينار كويتي في التعليمات البرمجية تحكم الملفات الإضافية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم هنا، على بروتوكول لتشييد حقنه تسيطر على ردود الفعل ضخ النظام وتبين استخداماته المحتملة للتطبيقات موائع جزيئية. ويبين الشكل 1 نظام متصل بمضخة المحاقن، واستشعار الضغط، الجهاز موائع جزيئية، متحكم، الدائرة استشعار الضغط، وسائق السيارات السائر. الشرح المفصل للجمعية مضخة الحقن مبينة في الشكل 2 ، والدوائر الإلكترونية التخطيطي لاستشعار الضغط ويرد في الشكل 3. ويرد في الشكل 4...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا، قدمنا تصميم جديد لنظام مضخة الحقن مع مراقبة الضغط مغلقة. وتحقق ذلك بإدماج مضخة طباعة 3D المحاقن مع جهاز استشعار ضغط بيزوريسيستيفي ومتحكم المصدر المفتوح. باستخدام وحدة تحكم PID، كنا قادرين على التحكم في الضغط مدخل من الدقة وتوفر أوقات استجابة سريعة بينما في نفس الوقت الحفاظ على الاستقرار حول نقطة مجموعة.

العديد من التجارب باستخدام أجهزة موائع جزيئية تتطلب عنصر تحكم فلويديك دقيقة واستغلال ملف تعريف الاندفاق الصفحي تتسم جيدا. وتشمل الأمثلة حيث مهم الشخصية تدفق مستقر تجارب استكشاف الزماني وال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعترف الكتاب الدعم من "مكتب الأبحاث البحرية" جوائز N00014-17-12306 و N00014-15-1-2502، فضلا عن منح من "مكتب القوات الجوية للبحث العلمي" FA9550-13-1-0108 ومؤسسة العلوم الوطنية المنحة رقم 1709238.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

موصل رأس برنامج رأس ، موصل رأس Digi-Key ، سلك توصيل سلك توصيل توصيل أجهزة أصفر Texas مقاومات كابل Amazon Amazon مسامير أمازون B010MZ8SQU كاميرا العلمية أمازون كمبيوتر طقم

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
التحكم Arduino IDEArduino.orgArduino Uno R3
، موصلDigi-KeyWM4000-ND
WM4001-NDب 3 أوضاع
Digi-KeyWM4002-NDب 4
أوضاع ، مقياس 22 ، أسودDigi-Key1528-1752-ND
سلك توصيل ، مقياس 22 ، سلك توصيلDigi-Key1528-1757-ND
أزرق ، مقياس 22 ،أحمر Digi-Key1528-1750-ND
، مقياس 22 ، سلكDigi-Key1528-1768-ND
أبيض ، مقياس 22 ، مضخمDigi-Key1528-1751-ND
InstrumentsINA122P
متحكم دقيق ، Arduino Uno R3Arduino.orgA000066
اللوح الصغيرAmazonB01IMS0II0
مزود الطاقة BKPrecision1550
مستشعر الضغطPendoTechPRESS-S-000
موصلات مستطيلة ، علبDigi-KeyWM2802-ND
مستطيلة موصلات, ذكرDigi-KeyWM2565CT-ND
المقاومات, 10k أوم & nbsp;Digi-Key1135-1174-1-ND
، 330 أوم & nbsp ؛Digi-Key330ADCT-ND
سائق محرك متدرج ،EasyDriver Digi-Key1568-1108-ND
USB 2.0 ، مادة مطبوعة ثلاثية الأبعاد من A-Male إلى B-MalePC045
، Z-ABS & nbsp ؛Zortraxتتوفر مجموعة متنوعة من الألوان
طابعة ثلاثية الأبعادZortraxM200طباعة مكونات مضخة الحقنة
محمل كروي ، مسامير آلة سداسية 17x6x6mmB008X18NWK
، M3x16mm & nbsp ؛آلة سداسية B00W97MTII
أمازون ، M3x35mm   ؛أمازونB00W97N2UW
عرافة الجوز ، M3 0.5   ؛أمازونB012U6PKMO
عرافة الجوز ، M5 & nbsp ؛أمازونB012T3C8YQ
مخرطة قضيب دائريأمازونB00AUB73HW
محمل كروي خطيأمازونB01IDKG1WO
مقرنة مرنةخطية صامولة قفل فولاذية من
، محرك متدرج M3 0.5AmazonB000NBKLOQ
، NEMA-17 ، 1.8o / خطوةDigi-Key1568-1105-ND
حقنة ، 10 مل ، طرف لور لوكBD309604
قضيب مترابطةأمازونB01MA5XREY
1H ، 1 ساعة ، 2 ساعة ، 2H - بيرفلوروكتيل ثلاثي كلوروسيلانفيشر وحدةAAL1660609
Raspberry Pi FoundationV2
فرن مدمجفيشر PR305220G علميالخبز خليط ما قبل البوليمر وجهاز
الاستغناء عن إبرة ، 22 قياسماكماستر كار75165A682
الاستغناء عن إبرة ، 23 مقياسماكماستر كار75165A684
فيشربراند بريميوم غطاء نظاراتفيشر ساينتيف12-548-5C
صحن بتري ثقافة زجاجية ، 130 × 25 مممنتجات تعليمية أمريكية7-1500-5
منظفبلازماHarrick PlasmaPDC-32Gربط زجاج الغطاء بجهاز PDMS
شفرات الحلاقةFisherScientific7071A141 
سكوتش ماجيك الشريطB00RB1YAL6
أحادي اللوحةRaspberry Pi FoundationRaspberry Pi 2 موديل B
ملعقة ذكيةفيشر FisherScientificEW-06265-12
Sylgard 184 سيليكون مطاطفيشر NC9644388
فلاتر حقنةحراري7252520
Tygon TubingColeParmer EW-06419-01
مجفف الفراغفيشر Scientific08-594-15Cإزالة الغاز من خليط PDMS قبل البوليمر وطلاء الفلوروسيلان على القالب الرئيسي
وزن أطباقFisherScientificS67090A

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  2. Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
  3. Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
  4. Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
  5. Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
  6. Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
  7. Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273(2016).
  8. Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
  9. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
  10. Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
  11. Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216(2014).
  12. Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
  13. Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
  14. Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
  15. Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
  16. Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة