Aufbau und Charakterisierung eines externen Treibers zur Erzeugung von Sub-Kilohertz-Schwingungsströmungen in Mikrokanälen

Giridar Vishwanathan; Gabriel Juarez

doi:10.3791/63294

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Methodenartikel

Aufbau und Charakterisierung eines externen Treibers zur Erzeugung von Sub-Kilohertz-Schwingungsströmungen in Mikrokanälen

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DOI:

10.3791/63294

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28. Januar 2022

Giridar Vishwanathan¹ , Gabriel Juarez¹

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das Protokoll demonstriert eine bequeme Methode, um harmonischen oszillatorischen Fluss von 10-1000 Hz in Mikrokanälen zu erzeugen. Dies geschieht durch die modulare Anbindung einer computergesteuerten Lautsprechermembran an den Mikrokanal.

Zusammenfassung

Die Mikrofluidik-Technologie ist zu einem Standardwerkzeug in chemischen und biologischen Laboratorien sowohl für die Analyse als auch für die Synthese geworden. Die Injektion von flüssigen Proben wie chemischen Reagenzien und Zellkulturen erfolgt überwiegend durch stetige Strömungen, die typischerweise durch Spritzenpumpen, Schwerkraft oder Kapillarkräfte angetrieben werden. Die Verwendung komplementärer oszillatorischer Strömungen wird in Anwendungen trotz ihrer zahlreichen Vorteile, wie kürzlich in der Literatur gezeigt, selten in Betracht gezogen. Das erhebliche technische Hindernis für die Implementierung oszillatorischer Flüsse in Mikrokanälen ist wahrscheinlich für das Fehlen seiner weit verbreiteten Akzeptanz verantwortlich. Fortschrittliche handelsübliche Spritzenpumpen, die einen oszillierenden Durchfluss erzeugen können, sind oft teurer und funktionieren nur für Frequenzen unter 1 Hz. Hier wird die Montage und der Betrieb einer kostengünstigen, Plug-and-Play-Lautsprecher-basierten Apparatur demonstriert, die einen oszillierenden Fluss in Mikrokanälen erzeugt. High-Fidelity-harmonische Schwingungsflüsse mit Frequenzen von 10-1000 Hz können zusammen mit einer unabhängigen Amplitudensteuerung erreicht werden. Amplituden von 10-600 μm können über den gesamten Betriebsbereich, einschließlich Amplituden > 1 mm bei der Resonanzfrequenz, in einem typischen Mikrokanal erreicht werden. Obwohl die Schwingungsfrequenz vom Sprecher bestimmt wird, veranschaulichen wir, dass die Schwingungsamplitude empfindlich auf Fluideigenschaften und Kanalgeometrie reagiert. Insbesondere nimmt die Schwingungsamplitude mit zunehmender Kanalkreislänge und Flüssigkeitsviskosität ab, und im Gegensatz dazu nimmt die Amplitude mit zunehmender Lautsprecherröhrendicke und -länge zu. Darüber hinaus erfordert das Gerät keine vorherigen Funktionen, um auf dem Mikrokanal entworfen zu werden, und ist leicht abnehmbar. Es kann gleichzeitig mit einem stetigen Fluss verwendet werden, der von einer Spritzenpumpe erzeugt wird, um pulsierende Strömungen zu erzeugen.

Einleitung

Die präzise Steuerung des Flüssigkeitsdurchflusses in Mikrokanälen ist entscheidend für Lab-on-a-Chip-Anwendungen wie Tröpfchenproduktion und Verkapselung¹, Mischen von^2,3 und Sortieren und Manipulieren von suspendierten Partikeln 4,5,6,7. Die am häufigsten verwendete Methode zur Durchflussregelung ist eine Spritzenpumpe, die hochkontrollierte stetige Durchflüsse erzeugt, die entweder ein festes Flüssigkeitsvolumen oder einen festen Volumenstrom abgeben, der o....