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方法文章

用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外置驱动器的组装与表征

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DOI：

10.3791/63294

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2022年1月28日

 , 
1Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

本文内容

摘要

该方案展示了一种在微通道中产生10-1000 Hz谐波振荡流动的便捷方法。该方法通过以模块化方式将计算机控制的扬声器振膜与微通道连接来实现。

摘要

微流控技术已成为化学和生物学实验室中用于分析和合成的标准工具。液体样品（如化学试剂和细胞培养物）的注入主要通过稳定流动实现，通常由注射泵、重力或毛细作用力驱动。尽管文献最近已证明振荡流动具有诸多优势，但在实际应用中，辅助使用振荡流动的情况仍较少见。微通道中难以实施振荡流动的技术障碍可能是导致其未能广泛采用的主要原因。能够产生振荡流动的先进商用注射泵通常价格较高，且仅适用于频率低于1 Hz的情况。本文展示了组装和操作一种低成本、即插即用型基于扬声器的装置，该装置可在微通道中产生振荡流动。可在10–1000 Hz频率范围内实现高保真谐波振荡流动，并具备独立的振幅控制能力。在典型微通道中，整个工作范围内可实现10–600 µm的振幅，在共振频率下甚至可达到>1 mm的振幅。尽管振荡频率由扬声器决定，但我们说明振荡振幅对流体性质和通道几何结构敏感。具体而言，随着通道回路长度和液体黏度的增加，振幅减小；而随着扬声器管壁厚度和长度的增加，振幅则增大。此外，该装置无需在微通道上预先设计任何结构，且易于拆卸。它可与注射泵产生的稳定流动同时使用，以生成脉动流动。

引言

在微通道中精确控制液体流速对于芯片实验室应用至关重要，例如液滴生成与包封1、混合2,3，以及悬浮颗粒的分选与操控4,5,6,7。目前主流的流量控制方法是使用注射泵，该方法可产生高度可控的稳定流动，能够分配固定体积的液体或维持恒定的体积流速，但通常仅限于完全单向流动。其他实现单向流动的替代策略包括利用重力压头8、毛细作用力9或电渗流10。可编程注射泵能够实现对流速和分配体积的时间依赖性双向控制，但由于注射泵存在机械惯性，其响应时间通常受限于1秒以上。

在更短的时间尺度上实现流动控制，能够因流动物理特性的定性变化而开启大量原本无法实现的可能性6,11,12,13,14,15。利用这些多样化流动物理特性的最实用方法是采用声波或振荡流动，其时间周期范围为10-1-10-9 s，或频率范围为101 -109 Hz。该频率范围的高端部分可通过体声波（BAW；100 kHz-10 MHz）和表面声波（SAW；10 MHz-1 GHz）器件实现。在典型的BAW器件中，通过在键合的压电材料两端施加电压信号，使整个基底和流体柱产生振动。这种方法可实现相对较高的通量，但在较大振幅下也会导致发热。然而，在SAW器件中，通过向压电基底上图案化的叉指电极对施加电压，使固-液界面发生振荡。由于波长非常短（1 µm-100 µm），SAW器件中产生的压力波可以精确操控小至300 nm的颗粒。尽管具备操控微小颗粒的能力，SAW方法仅限于局部颗粒操控，因为波从源传播后会随距离迅速衰减。

在1-100 kHz频率范围内，通常使用压电元件产生振荡流，这些压电元件被键合在设计有空腔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道上方16,17。位于图案化空腔上方的PDMS膜表现得如同一个振动的膜片或鼓面，可对通道内的流体施加压力。在此频率范围内，波长大于通道尺寸，但振荡速度的幅值较小。该频率区间内最有用的现象是声学/黏性二次流的产生，这种二次流是由于具有惯性的液体流动中固有的非线性所导致的整流稳态流动18。这种稳态二次流通常表现为在障碍物、尖锐拐角或微气泡附近出现的高速反向旋转涡旋。这些涡旋可用于混合19,20以及从流体中分离尺寸约为10 µm的颗粒21。

在10-1000 Hz频率范围内，振荡组分的速度及其相关的稳态粘性次级流在幅值上均较为显著且具有实用价值。该频率范围内的强振荡流动可用于惯性聚焦。22促进液滴生成23，可生成模拟血流的流动条件（沃默斯利数） 体外 研究。另一方面，流动流可用于混合、颗粒捕获和操控。在此频率范围内的振荡流也可以通过如上所述在装置上粘附压电元件来实现23通过粘接压电元件实现振荡流的一个显著障碍是，需要预先设计相关结构特征。此外，粘接的扬声器元件不可拆卸，且每个装置都必须重新粘接新的元件24然而，这类设备具有结构紧凑的优势。另一种方法是使用机电继电器阀。20这些阀门需要气压源和定制的控制软件才能运行，因此提高了测试和实施的技术门槛。然而，此类装置能够施加设定的压力振幅和频率。

本文介绍了一种在微通道中产生频率范围为10-1000 Hz振荡流的用户友好型方法的构建、操作与表征。该方法具有多种优势，包括组装成本低、操作简便，并可轻松与标准微流控通道及配件（如注射泵和管路）连接。此外，与以往类似方法25相比，该方法可实现对振荡频率和振幅的选择性与独立控制，包括在正弦波与非正弦波波形之间的调制。这些特性使用户能够便捷地实施振荡流，从而促进其在生物学与化学领域的现有多种微流控技术与应用中的广泛采用。

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方案

1. 快速原型模具的设计与制备

  1. 在 PC 上打开 AutoCAD。在任务栏中选择“文件”，然后选择打开，浏览并点击具有 .dxf 或 .dwg 扩展名的三维（3D）通道模具文件。
  2. 通过在模型周围单击并拖动框选来选中整个模型。选择文件 | 导出 ，然后选择其他格式，并在下拉框中选择 .stl 格式，将设计导出为 .stl 文件。
  3. 将文件上传至高精度树脂立体光刻（SLA）打印机（如 Formlabs FORM3）。将树脂倒入树脂舱中，启动打印，使用最小的 z 轴步长（对于 Formlabs CLEAR 树脂为 25 微米）制备模具。
  4. 等待自动打印完成。
    注意：通过此方法可制备特征尺寸小至 0.1 mm 的模具。
  5. 从树脂中取出部件后，在异丙醇中振荡清洗 5 分钟，以去除残留树脂。
  6. 用空气或氮气吹干模具 2 分钟。
    注意：也可采用传统的基于硅片和光刻技术的微流控模具制备方法，结合 SU8 或 KMPR 光刻胶，以制造具有更小特征结构的模具。
  7. 将干燥后的模具在 60 °C 下经紫外光照射固化，最长不超过 1 小时。

2. PDMS 微通道制备

  1. 将模具放置在一张铝箔纸上。为便于脱模，用硅胶脱模剂对模具喷涂1至2次。
  2. 按重量比10:1将PDMS树脂与交联剂倒入一次性杯子中，并用一次性勺子混合均匀。
  3. 将混合液浇注到模具上，形成所需厚度的薄膜。为防止微通道壁发生明显变形，应保持PDMS厚度超过5 mm，或为最大特征厚度的3-4倍。
  4. 将浇注好PDMS的模具放入真空脱泡室并盖上盖子。确保O型密封圈完全密封腔体。
  5. 关闭排气阀，启动真空粗泵以开始脱泡过程。
  6. 在真空泵中对浇注的混合液进行4至6个循环的脱泡，每个循环持续约5分钟。使用细金属丝手动清除残留气泡（特别是在角落和沟槽处）。
  7. 将烘箱温度设定为80 °C并预热。将样品放入烘箱中于80 °C下固化2小时。
  8. 从烘箱中取出固化的模具，在室温下静置10分钟使其冷却。
  9. 使用解剖刀小心地切割模具边缘。为实现最佳脱模效果，可使用注射器将异丙醇注入模具与固化的PDMS之间。
  10. 将固化的PDMS从模具上剥离，并用剃刀刀片切割成单个器件。每个器件的尺寸应在10 mm × 10 mm至30 mm × 70 mm之间，以便与载玻片键合。
  11. 使用活检打孔器在进样口和出样口处打出直径为1.0–3.0 mm的孔。
  12. 打开手持式射频（RF）等离子体发生器。为激活载玻片表面，将导线电极在洁净干燥的载玻片上稳定地反复移动2分钟，电极与玻璃之间的距离保持约5 mm。将固化的PDMS器件面与活化的载玻片接触后，放入80 °C烘箱中处理2小时。
  13. 将聚乙烯进样和出样管剪切至所需长度，并插入进样口和出样口的孔中。
  14. 为防止运行过程中管路脱落，可在接触面涂抹硅胶密封剂，固化2小时以固定管路。

3. 振荡驱动器组件

  1. 将一对鳄鱼夹转针形导线的鳄鱼夹端夹在扬声器的接线端上。此处使用的是一个15 W、锥体直径为8 cm的扬声器，但也可使用其他扬声器。
  2. 将音频控制器芯片放置在一个绝缘容器上。将导线的针状端插入音频控制器芯片的螺丝接线孔中，并用螺丝刀拧紧，以确保连接可靠。
  3. 将音频线的一端连接至控制器芯片，另一端连接至计算机或智能手机的音频输入接口（aux端口）。
  4. 将12 V直流（DC）电源适配器连接至电源。通过将DC适配器的同轴插头插入电源插座，为控制器芯片供电。
  5. 使用互联网浏览器，访问在线信号发生器网站（例如：https://www.szynalski.com/tone-generator/）。
  6. 在在线应用中输入所需频率（5–1200 Hz），并将音量滑块调节至所需水平（例如，100%）。
  7. 点击波形类型发生器图标，并选择所需的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波）。默认波形为正弦波。点击播放以驱动扬声器工作。

4. 接头组装

注意：完整的扬声器-管适配器组件如图1示意图所示。

  1. 将扬声器 （图1(I)）固定到3D打印的扬声器支架上（图1(II)）（见补充文件1中的speakermount.stl），方法是在支架的曲面及两侧粘贴胶带。
  2. 将扬声器垂直放置，使扬声器锥面朝上。将3D打印的适配器 （图1(III)）（见补充文件2中的speakertubeadapter.stl）同心地放置在扬声器锥面上。
  3. 在适配器边缘均匀涂抹足量硅胶密封剂，并静置固化2小时。
  4. 将扬声器及其支架置于显微镜载物台上，并用胶带固定，以防止操作过程中发生移动。
  5. 从200 μL微量移液器吸头窄端起约2 cm处剪断，并丢弃较宽的一半。保留的狭窄锥形端将用作可逆连接的楔形密封。
  6. 将聚乙烯管（图1(V)）连接至微通道（图1(VI)）出口，先穿过微量移液器吸头（图1(IV)），再穿过适配器的同轴端，最后从侧面引出。
  7. 将移液器吸头的窄端牢固地楔入适配器的同轴端，以形成可拆卸的紧密密封。

5. 微通道中振荡流动实验装置的操作

  1. 将示踪粒子加入含有22%质量/质量（w/w）甘油溶液的小瓶中，制备在20 °C下液相中聚苯乙烯体积分数为0.01%-0.1%的中性浮力悬浮液。通过剧烈振荡充分混合，形成均匀悬浮液。
  2. 用1 mL进样器吸取1 mL样品。将装有样品的进样器安装并固定在自动进样泵上。将进样器针头插入装置的进样管路中，确保形成密封不漏水的连接。
  3. 确保出样管路穿过适配器组件并通入储液装置（参见前述适配器组件部分）。
  4. 打开进样泵。通过触摸屏选择进样器类型为 Becton-Dickinson 1 mL，然后选择 Infuse（注入），再选择所需的流速（0–1 mL/min）或流体体积（< 1 mL）。
  5. 使用进样泵启动稳态流动。等待足够体积的液体流过，直至出样管路充满液体并达到扬声器位置。
    注意：若出样管路已充分预充，则在稳态输送流动条件下，给定设置下的振荡幅度不会发生变化。
  6. 在信号发生器应用中，按照步骤3.5所述选择所需的频率、振幅和波形，然后按下 Play（播放）以在微通道内产生振荡流动。

6. 观察与振幅测量

  1. 将设备安装在显微镜上。通过选择10倍至40倍放大倍数的物镜，调节焦平面并定位载物台，设置光学配置。
  2. 为了在定义明确的焦平面上获得测量结果，应确保物镜的景深比微流道深度小至少5倍或更多。
  3. 为了观察振荡流动，使用高速相机进行成像，其帧率应至少为振荡频率的两倍（根据奈奎斯特采样定理计算）。为了对波形实现具有实际意义的分辨率，每个振荡周期内应测量至少10个时间点，建议帧率 > 振荡频率的10倍。
  4. 或者，若仅需观察脉动流的整流效应或长时间平均效应，可通过将观测频率设置为振荡频率的任意整数分之一，实现频闪成像（stroboscopic imaging）。
  5. 无论是直接成像还是频闪成像，均应使用配备全局快门（global shutter）的相机，以避免果冻效应（jello-effect）。在任何情况下，曝光时间应远小于振荡周期（至少小10倍或更多），以防止图像拖尾。
  6. 若无高速相机但仍需测量振荡幅度，可将录制帧率设定为接近但不等于频闪帧率的数值（例如，对于50 Hz信号，使用49帧/秒）。该方法可产生显著慢放的振荡图像，从而精确测量振幅。
  7. 观察并记录振幅测量结果。

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结果

为了说明上述装置的性能和效果，本文展示了在具有方形横截面的简单线性微通道中振荡流动的代表性结果。该通道的宽度和高度均为110 µm，长度为5 cm。首先，我们描述了球形聚苯乙烯示踪粒子的运动行为，以及如何利用这些粒子来检验振荡信号的保真度和可实现的振荡幅度范围。接着，我们讨论了特定流体性质或微流控材料对振荡幅度的影响。最后，我们展示了产生非正弦波形的能力。

作为对比，我们通过以下流体性质、通道几何结构和微流控材料来定义参考情况。工作液体为去离子水（µ = 1.00 mPa·s），其中含有体积分数为0.01%的示踪粒子，粒子直径d = 1 µm，密度ρ = 1.20 kg/m3。根据公式ρd2/18µ计算得到的粒子响应时间为70 ns，远小于相应的振荡时间尺度（1–100 ms）。粒子在通道中截面高度处被观察，使用10倍物镜，焦深为10 µm。微流控管的外径×内径为1.27 mm × 0.76 mm，出口管长度为12 cm，且高出通道水平面5 cm。

不同振荡频率下通...

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讨论

我们已演示了基于外置扬声器装置的组装（参见实验方案关键步骤3和4）与运行（参见实验方案关键步骤5和6），该装置可在微流控器件中产生频率范围为10至1000 Hz的振荡流。需要通过悬浮示踪粒子的粒子追踪技术来确定谐波运动的保真度，并校准在不同工作频率范围内可实现的振荡振幅范围。对于给定体积设置下的振幅-频率曲线，主要取决于扬声器本身的特性，而这些特性无法改变（参见代表性结果中图3A、B对扬声器特性的讨论）。然而，针对特定的通道设计，可通过适当调整管路特性、液体黏度或二者组合来调节和优化振荡振幅。例如，我们在图4中展示，对于相同的体积设置，增大管径或延长管长均可提高振荡振幅的幅值。然而，增加黏度会减小振荡振幅的范围，从而为用户提供从10 µm到1 mm范围内的可调振幅。

该方法的显著优势在于其组装、实施和操作简便。振荡驱动器的总成本低于60美元，一旦购齐所需部件，组装时间仅需约2小时（参见材料表）。与...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们谨此感谢伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系快速原型实验室为本工作提供的支持与设施。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
振荡驱动器组件
鳄鱼夹转针形导线Adafruit3255小型鳄鱼夹转公头跳线（12根）
音频线（AUX线）Adafruit26983.5 mm 公对公立体声音频线，1 m
控制器芯片DamgooTPA311650 W + 50 W 双通道音频放大器（支持蓝牙和AUX）
直流适配器Adafruit79812 V 直流 1 A 稳压开关电源适配器
微量移液器吸头VWR Signature37001-532200 µl 微量移液器吸头
硅酮密封胶Loctite908570透明硅酮防水密封胶（80 ml）
扬声器Drok68439964.5 英寸 4 欧姆 40 W 扬声器
扬声器支架根据补充文件中的“speakermount.stl”3D打印
扬声器转管适配器根据补充文件中的“speaketubeadapter.stl”3D打印
微通道制造
活检打孔器Miltex15110带推杆的活检打孔器（1 - 4 mm）
脱气装置
一次性杯子
一次性勺子
载玻片VWR Signature16004-4303" × 1" 预清洁，厚度1 mm
模具硅基 SU-8 或 3D 打印
烘箱Fischer ScientificIsotemp
PDMS 树脂与交联剂Dow Chemical4019862Sylgard 184 PDMS 树脂与交联剂（500 g）
聚乙烯管Becton Dickinson Intramedic427440聚乙烯管（PE 60 - PE 200）
剃刀刀片VWR55411-050单刃工业剃刀刀片
射频等离子体发生器Electro-Technic ProductsBD - 20高频发生器
硅模具脱模剂CRC03301食品级硅模具脱模剂（16 oz）
观察与表征
相机EdgertronicSC2+
镜头NikonPlan Fluor 10x
显微镜NikonTi Eclipse 手动载物台
针头Becton Dickinson305175 PrecisionGlide 20G
注射器Becton Dickinson1180100555Monoject 1 ml
注射泵Harvard Apparatus双通道可编程注射泵
示踪颗粒SpherotechPP-10-10聚苯乙烯示踪颗粒，1 µm

参考文献

  1. 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).
  2. Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. Microfluidic Mixing: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 12 (5), 3263-3287 (2011).
  3. Bayareh, M., Ashani, M. N., Usefian, A. Active and passive micromixers: A comprehensive review. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 147, 10771(2020).
  4. Zhang, S., Wang, Y., Onck, P., den Toonder, J. A concise review of microfluidic particle manipulation methods. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 24(2020).
  5. Bayareh, M. An updated review on particle separation in passive microfluidic devices. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 153, 107984(2020).
  6. Wu, M., et al. Acoustofluidic separation of cells and particles. Microsystems & Nanoengineering. 5, 32(2019).
  7. Bhagat, A. A. S., et al. Microfluidics for cell separation. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (10), 999-1014 (2010).
  8. 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).
  9. Safavieh, R., Juncker, D. Capillarics: pre-programmed, self-powered microfluidic circuits built from capillary elements. Lab on a Chip. 13, 4180-4189 (2013).
  10. Hossan, M. R., Dutta, D., Islam, N., Dutta, P. Review: Electric field driven pumping in microfluidic device. Electrophoresis. 39 (5-6), 702-731 (2018).
  11. Dincau, B., Dressaire, E., Sauret, A. Pulsatile Flow in Microfluidic Systems. Small. 16 (9), 1904032(2020).
  12. Thurgood, P., et al. Tunable Harmonic Flow Patterns in Microfluidic Systems through Simple Tube Oscillation. Small. 16 (43), 2003612(2020).
  13. 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).
  14. Glasgow, I., Aubry, N. Enhancement of microfluidic mixing using time pulsing. Lab on a Chip. 3 (2), 114-120 (2003).
  15. Zhang, P., Bachman, H., Ozcelik, A., Huang, T. J. Acoustic Microfluidics. Annual Review of Analytical Chemistry. 13, 17-43 (2020).
  16. 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).
  17. Jain, R., Darling, R. B., Lutz, B. Frequency characterization of flow magnitude and phase in resonant microfluidic circuits. Analytical Methods. 9, 5425-5432 (2017).
  18. Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77, 977(2005).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Thameem, R., Rallabandi, B., Hilgenfeldt, S. Fast inertial particle manipulation in oscillating flows. Physical Review Fluids. 2 (5), 052001(2017).
  22. Vishwanathan, G., Juarez, G. Inertial focusing in planar pulsatile flows. Journal of Fluid Mechanics. 921, 1(2021).
  23. Geschiere, S. D., et al. Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems. Biomicrofluidics. 6, 022007(2012).
  24. Vázquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poiré, E. C., Caballero-Robledo, G. A. Microfluidic flow spectrometer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 077001(2017).
  25. Sauret, A., Shum, H. C. Forced generation of simple and double emulsions in all-aqueous systems. Applied Physics Letters. 100, 154106(2012).
  26. Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming viscometry of Newtonian liquids in microfluidic devices. Physics of Fluids. 31, 041701(2019).
  27. Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming flows in viscoelastic liquids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 271, 104143(2019).
  28. Vishwanathan, G., Juarez, G. Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 69(2020).

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