用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外部驱动器的组装和表征
January 28th, 2022
该协议演示了一种在微信道中产生10-1000 Hz谐波振荡流的便捷方法。这是通过将计算机控制的扬声器振膜以模块化方式连接到微通道来实现的。
我们的技术使用微流体为生物学家和化学家带来振荡流。该器件组装快速，易于使用，是一种即插即用的方法，用于产生高保真振荡流。演示该程序的将是来自我实验室的博士生Giridar Vishwanathan。
首先，将一对鳄鱼的鳄鱼夹末端夹紧，将电线固定到带有8厘米锥体的15瓦扬声器的端子上。将辅助控制器芯片放在绝缘组件上。将针脚端插入辅助芯片的螺钉插座。
用螺丝刀拧紧以确保连接。将辅助电缆的一端连接到控制器芯片，另一端连接到计算机上的辅助端口。将 12 伏直流适配器连接到电源。
通过将直流适配器的同轴端连接到电源插座来打开控制器芯片。使用互联网浏览器，导航到在线音调生成器网站。在在线应用程序中输入5至1200赫兹之间的所需频率，并将音量条滚动到所需的量。
单击波形类型发生器符号，然后选择所需的波形，如符号、正方形、三角形或锯齿形。默认设置为符号波形。按播放以启动扬声器。
将扬声器和控制器芯片贴在3D打印的扬声器堆上，以便在显微镜载物台上定位。将 3D 打印适配器同心放在扬声器锥体上。沿着适配器的边缘大量涂抹硅酮密封胶，并固化两小时。
将一个200微升的微量移液器尖端从其狭窄的末端切割约两厘米，并处理较宽的一半尖端，其中狭窄的锥形末端将用作可逆连接的楔形密封。将聚乙烯管通过首先通过微移液管尖端的螺纹连接到微通道输出，然后通过适配器的同轴端，最后通过侧面出来。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。
将示踪剂颗粒加入到重量为22%的甘油溶液中，以在20摄氏度的液体中产生体积分数为0.01%至0.1%聚苯乙烯的中性浮力悬浮液。通过摇晃剧烈混合以产生均匀的悬浮液。将一毫升进样注射器装入一毫升样品。
将装载的注射器堆放并固定到自动注射器泵上。将注射器针头插入设备的入口管中，以形成水密密封。确保出口管通过适配器组件扎根并进入储液罐。
打开注射器泵，使用触摸屏选择注射器类型为Becton-Dickinson 1 mL，然后选择Infuse。然后选择所需的流量流量。使用注射泵启动稳定流量。
等到出口管装满液体直至扬声器。在音调发生器应用程序中选择所需的频率幅度和波形，然后按播放以在微通道内生成振荡流。将设备安装在显微镜上。
通过选择放大倍率在10X至40X之间的物镜，并调整焦平面和定位载物台来设置光学配置。要在明确定义的焦平面上获得测量值，请确保物镜的景深比通道深度小五倍或更多。要观察振荡流，请使用帧速率至少为振荡频率两倍的高速相机。
为了获得波形的有用分辨率，每个时间段至少测量10个点，其帧速率比振荡频率高10倍。或者，为了观察正流的长期效应，通过将观察结果设置为振荡频率的任何完美除数来执行频闪成像。对于直接成像和频闪成像，请使用配备全局快门的相机，以避免果冻效应。
在任何一种情况下，将曝光时间比振荡时间段小10倍或更多，以防止条纹。要在没有高速相机的情况下测量振荡幅度，请以接近但不接近频闪帧速率的帧速率进行记录，这会导致高度减慢的振荡，从中可以精确地测量，观察和记录幅度测量值。跟踪示踪粒子在通道中平面的位移显示振荡频率为100、200、400和800赫兹的谐波信号。
在所有扬声器音量设置的振荡幅度与频率的关系图中，特征曲线在大约180赫兹时具有共振峰值，超过该峰值时幅度随着频率的增加而减小。相对于参考情况，不同参数对工作频率范围内振荡幅度的影响表明，当工作液体的粘度增加时，振幅降低近两倍。当相同材料的微流体管直径增加时，振幅与参考情况相比增加1.5至3倍，具体取决于频率。
当相同材料的管长增加时，振幅在谐振频率附近显着增加。非正弦波形式的粒子位移轨迹表明，在实际系统中不可能实现与方波和锯齿波形式相关的位置的非常剧烈的变化。尽管如此，傅里叶光谱与理想光谱非常吻合，至少在三次谐波之前是这样。
重要的是要确认出口管完全充满液体。这确保了振幅最大，并且随时间变化恒定。还必须使用带有全局快门的相机。
我们已经使用这种技术来精确观察和测量微米级颗粒在微通道内行进很长一段距离后的行为。这使我们能够实施新的微流体操作技术。
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概述
该协议展示了一种在微通道中产生10-1000 Hz谐波振荡流的便捷方法。该技术设计简单快速，易于使用，使其适用于生物学家和化学家。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流体学
- 振荡流生成
- 生物应用
背景
- 微流体学允许在微观尺度上精确控制流体流动。
- 谐波振荡流可以增强生物分析中的混合和反应速率。
- 传统的振荡流生成方法可能复杂且耗时。
- 该协议提供了一种模块化和用户友好的方法。
研究目的
- 提供一种在微通道中生成振荡流的简单方法。
- 展示该技术在生物和化学研究中的应用。
- 为研究人员提供便捷的高级微流体技术。
使用的方法
- 将计算机控制的扬声器振膜与微通道相连接。
- 使用鳄鱼夹连接到扬声器。
- 使用辅助控制芯片进行流量调节。
- 展示设备的组装和操作。
主要结果
- 成功在指定频率范围内生成谐波振荡流。
- 展示了设备的易用性和快速组装。
- 在各种生物和化学实验中的潜在应用。
- 生成的振荡流具有高保真度。
结论
- 该方法简化了在微流体中生成振荡流的过程。
- 它为生物学和化学研究开辟了新的途径。
- 该协议可以轻松被不同专业水平的研究人员采用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Oscillatory flow enhances mixing and reaction kinetics in microfluidic assays, yet its adoption is limited by cost and complexity of existing systems. This low-cost, plug-and-play speaker-based apparatus enables high-fidelity oscillatory flow generation from 10-1000 Hz with independent amplitude control, addressing a key technical barrier in microfluidic workflows. By providing a reusable, detachable solution compatible with steady flow systems, it supports predictive de-risking in assay development and phenotypic screening through improved fluidic control and reproducibility.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses under dynamic flow conditions to clarify mechanotransduction pathways and validate therapeutic targets.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of flow parameters without requiring microfluidic channel redesign, accelerating hypothesis testing in target validation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible oscillatory flows that improve mixing efficiency and signal-to-noise ratios in biochemical and cellular assays.
- Operational Value: Delivers quantitative amplitude and frequency control compatible with high-speed imaging, enabling standardized assay readouts across screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates study of particle transport and cellular behavior under physiologically relevant flow waveforms, supporting disease-relevant system modeling.
- Operational Value: Allows simultaneous use with syringe pumps to generate pulsatile flow, bridging discovery and preclinical workflows without system reconfiguration.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling dynamic fluidic control that complements steady-flow assays, supporting progression from target validation to lead identification through enhanced assay fidelity.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by allowing precise control of oscillatory parameters to probe biological responses under controlled mechanical stimulation.
- Screening: Provides standardized, tunable oscillatory flow output that improves assay reproducibility and compound evaluation reliability.
- Analytics: Enables high-resolution particle tracking and waveform analysis via high-speed or stroboscopic imaging, yielding quantitative dynamic readouts.
- Translational Research: Connects microfluidic manipulation techniques to preclinical continuity by simulating physiological flow dynamics in disease models.
- Enterprise Reuse: Designed as a detachable, plug-and-play module compatible with existing microfluidic platforms, reducing need for custom fabrication per experiment.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in assay outcomes by reducing variability from poor mixing and enabling physiologically relevant flow conditions.
- Operational Value: Delivers low-cost, reusable hardware with minimal setup time and no requirement for specialized microchannel fabrication.
- Strategic Value: Reduces biological false negatives in screening by improving reagent delivery and cellular stimulation consistency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted decision-making by enhancing data quality in early-stage assays, decreasing attrition due to assay artifacts.
Implementation Considerations
- Requires basic electronics knowledge for speaker and controller chip assembly, including solderless connections and cable routing.
- Depends on access to a computer, tone generator software, 12V DC power supply, and audio interface components.
- Necessitates high-speed or stroboscopic imaging capabilities for accurate amplitude and waveform validation, particularly above 100 Hz.
- Performance is sensitive to fluid viscosity and channel geometry, requiring empirical calibration when changing reagents or channel designs.
- Global shutter cameras are required to avoid motion artifacts during imaging, adding to system requirements for quantitative analysis.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:33
Oscillatory Driver Assembly
1:51
Adapter Assembly
2:54
Operation of the Experimental Setup for Oscillatory Flows in Microchannels
4:24
Observation and Amplitude Measurement
6:11
Results: Oscillatory Flow in a Simple Linear Microchannel with a Square Cross-Section
7:49
Conclusion
