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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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....

Protocol

1. Schnelles Prototypen-Formendesign und -herstellung

1. Öffnen Sie AutoCAD auf einem PC. Wählen Sie Datei in der Taskleiste, wählen Sie dann Öffnen und navigieren Sie zu und klicken Sie auf eine dreidimensionale (3D) Modelldatei der Kanalform mit .dxf oder .dwg Erweiterung.
2. Wählen Sie das gesamte Modell aus, indem Sie darauf klicken und ein Feld um es herum ziehen. Exportieren Sie den Entwurf als STL-Datei, indem Sie Datei | auswählen Exportieren, dann Andere Formate und wählen Sie .stl aus dem Dropdown-Feld aus. 
3. Laden Sie die Datei auf einen hochpräzisen ....

Results

Um die Leistungsfähigkeit und Leistung des obigen Aufbaus zu veranschaulichen, werden repräsentative Ergebnisse der oszillierenden Strömung in einem einfachen linearen Mikrokanal mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Die Breite und Höhe des Kanals beträgt 110 μm und seine Länge beträgt 5 cm. Zunächst beschreiben wir die Bewegung sphärischer Polystyrol-Tracer-Partikel und wie diese verwendet werden können, um die Genauigkeit des Schwingungssignals sowie den Bereich der erreichbaren Schwingungsamplituden zu überprüfen.......

Discussion

Wir haben die Montage (siehe protokollkritische Schritte 3 und 4) und den Betrieb (siehe protokollkritische Schritte 5 und 6) einer externen Lautsprecher-basierten Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungsströmungen mit Frequenzen im Bereich von 10 bis 1000 Hz in mikrofluidischen Bauelementen demonstriert. Die Partikelverfolgung von suspendierten Tracerpartikeln ist erforderlich, um die Genauigkeit der harmonischen Bewegung zu bestimmen und den Bereich der über den Bereich der Betriebsfrequenzen erreichbaren Schwingungsa.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Oszillator-Treiberbaugruppe
	Adafruit	3255	Kleine Krokodilklemme auf Stecker-Überbrückungskabel (12)
Aux-Kabel	Adafruit	2698	3,5 mm Stecker/Stecker Stereokabel 1 m
Controller-Chip	Damgoo	TPA3116	50W+50W 2-Kanal-Audioverstärker (Bluetooth und AUX)
DC Adapter	Adafruit	798	12 V DC 1A geregeltes Schaltnetzteil
Mikropipettenspitze	VWR Signature	37001-532	200 ul Mikropipettenspitze
Silikondichtstoff	Loctite	908570	Klares Silikon wasserdichtes Dichtmittel (80 ml)
Lautsprecher	Drok	6843996	4,5 Zoll 4 Ohm 40 W Lautsprecher
Halterung			3D-gedruckt von 'speakermount.stl' in ergänzenden Dateien
Lautsprecher-zu-Röhre-Adapter			3D-gedruckt von 'speaketubeadapter.stl' in ergänzenden Dateien
Microchannel ManufactureBiopsie-Stanze
	Miltex	15110	Biopsie-Stanze mit Kolben (1 - 4 mm)
Entgaser
Einwegbecher
Einweglöffel
Glasobjektträger	VWR Signature	16004-430	3" x 1" Vorreinigung 1 mm dick
Mold			Si - SU-8 oder 3D-gedruckter
Ofen	Fischer Scientific		Isotemp
PDMS Harz und Vernetzer	Dow Chemical 4019862		Sylgard 184 PDMS Harz und Vernetzer (500 g)
Polyethylenschlauch	Becton Dickinson Intramedic	427440	Polyethylenschlauch (PE 60 - PE 200)
Rasierklingen	VWR	55411-050	Einschneidige industrielle Rasierklingen
HF-Plasmagenerator	Elektrotechnische Produkte	BD - 20	Hochfrequenzgenerator
Silikonformtrennmittel	CRC	03301	Silikon in Lebensmittelqualität Formtrennmittel (16 oz)
Beobachtung und Charakterisierung
Kamera	Edgertronic		SC2+
Objektiv	Nikon		Plan Fluor 10x
Mikroskop	Nikon		Ti Eclipse manueller Tisch
Nadeln	Becton Dickinson	305175	PrecisionGlide 20G
Spritze	Becton Dickinson	1180100555	Monoject 1 ml
Spritzenpumpe	Harvard Apparat		Dual Spritze programmierbare Spritzenpumpe
Tracerpartikel	Spherotech	PP-10-10	Polystyrol Tracerpartikel 1 um