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。
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本文内容
摘要
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,
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方案
1. 快速原型模具的设计与制备
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
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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
| 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 | Adafruit | 3255 | 小型鳄鱼夹转公头跳线（12根） |
| 音频线（AUX线） | Adafruit | 2698 | 3.5 mm 公对公立体声音频线，1 m |
| 控制器芯片 | Damgoo | TPA3116 | 50 W + 50 W 双通道音频放大器（支持蓝牙和AUX） |
| 直流适配器 | Adafruit | 798 | 12 V 直流 1 A 稳压开关电源适配器 |
| 微量移液器吸头 | VWR Signature | 37001-532 | 200 µl 微量移液器吸头 |
| 硅酮密封胶 | Loctite | 908570 | 透明硅酮防水密封胶（80 ml） |
| 扬声器 | Drok | 6843996 | 4.5 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 | Miltex | 15110 | 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 Signature | 16004-430 | 3" × 1" 预清洁，厚度1 mm |
| 模具 | 硅基 SU-8 或 3D 打印 | ||
| 烘箱 | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS 树脂与交联剂 | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS 树脂与交联剂（500 g） |
| 聚乙烯管 | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | 聚乙烯管（PE 60 - PE 200） |
| 剃刀刀片 | VWR | 55411-050 | 单刃工业剃刀刀片 |
| 射频等离子体发生器 | Electro-Technic Products | BD - 20 | 高频发生器 |
| 硅模具脱模剂 | CRC | 03301 | 食品级硅模具脱模剂（16 oz） |
| 观察与表征 | |||
| 相机 | Edgertronic | SC2+ | |
| 镜头 | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| 显微镜 | Nikon | Ti Eclipse 手动载物台 | |
| 针头 | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| 注射器 | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 双通道可编程注射泵 | |
| 示踪颗粒 | Spherotech | PP-10-10 | 聚苯乙烯示踪颗粒，1 µm |
参考文献
- 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. Microfluidic Mixing: A Review. ....
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