Name: High Speed Droplet-based Delivery System für Passive Pumping in Mikrofluidiksysteme (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-09-02T11:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 22 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie ein passives Pumpverfahren in Mikrofluidiksystemen mit präziser Tropfendosierung implementieren. Diese kostengünstige Methode ermöglicht biologischen Laboren reproduzierbare Flusskontrolle.

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Die Finanzierung wurde von der Wisconsin Institute of Discovery zur Verfügung gestellt.

In diesem Bericht zeigen wir eine Flüssigkeit Lieferung Methode, die kleinen Tröpfchen Oberflächenspannung verwendet, um eine gewünschte Lautstärke durch einen mikrofluidischen Kanal zu pumpen, um eine Reihe von verschiedenen flüssigen Phänomene zu erreichen. Zum Beispiel kann der Benutzer wünschen, eine einzige Flüssigkeit so schnell fließen wie möglich, oder liefern mehrere Fluide in rascher Folge auf bestimmte Fluidik-Muster zu erstellen. Um dies zu tun, muss der Anwender zunächst eine Anwendung in einer mikrofluidischen Vorrichtung gebaut. Die microflluidic Gerät muss nicht geklebt werden, sollte aber aus einem hydrophilen Material hergestellt werden. Therfore, kann das Verfahren mit fast jedem Mikrofluidikvorrichtung genutzt werden, mit der Leistung weitgehend bedingt durch die geometrischen Randbedingungen des mikrofluidischen Kanal. Um zu navigieren die geometrische Einschränkungen dieser Methode, eine Einführung in die relevanten numerischen Analyse wird zunächst vorgestellt. <ol><li> Analytische Methoden: Nach dem Laplace Gesetz und die Washburn Law [1], kann man die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines mikrofluidischen Kanal, um seine Abmessungen und die Eigenschaften der strömenden Flüssigkeit, wie in Gleichung gesehen (1) beziehen, <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn1.png" alt="Gleichung 1" /> (1) wo Δ P die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und der Auslass ist, γ der Flüssigkeit Oberflächenspannung ist, ist R Einlass Tropfenradius, Q die Flussrate und K ist der fluidische Widerstand als durch Gleichung (2) beschrieben, <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn2.png" alt="Gleichung 2" /> (2) wo η die Viskosität der Flüssigkeit ist, L 0 die Kanallänge ist, h die Kanalhöhe ist, ist w die Kanalbreite, λ = w / h und g (λ) = 1,5, wenn λ&gt; 4,45 oder <img src="/files/ftp_upload/1329/g_lambd.png" alt="Symbol 6" /> wenn λ &lt;4,45. Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (1), immer vorausgesetzt, daß h &lt;w und Auflösen nach Q, eine Gleichung (3) erhält, (3) <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn3.png" alt="Gleichung 3" /> Die gleiche Analyse kann für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem Kanal durch das Wissen, was getan werden Q = VA, wobei V die Flüssigkeit durchschnittliche Geschwindigkeit und A die Querschnittsfläche oder hw. Wenn wir diese in Gleichung (3) Sie kommen mit Gleichung (4), (4) <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn4.png" alt="Gleichung 4" /> Eine wichtige mechanische Konzept, das häufig in mikrofluidischen Biologie angewendet wird, ist Schubspannung, die Rate und Geschwindigkeit durch Gleichung (5) fließen bezieht, (5) <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn5.png" alt="Gleichung 5" /> Die Kenntnis der Beziehung zwischen Durchfluss, Geschwindigkeit und ihrer körperlichen Auswirkungen als eine Funktion der Kanal Abmessungen und Eigenschaften der Flüssigkeit ist entscheidend bei der Gestaltung einer mikrofluidischen Vorrichtung für einen bestimmten Zweck. Sobald ein Gerät erstellt wurde, muss der Benutzer dann kalibrieren Flüssigkeitsabgabesystem, um die gewünschte Fließverhalten innerhalb des Gerätes zu erreichen. </li><li> Schritte zur Einrichtung und Kalibrierung Delivery System: <ol><li> Erstellen Mikrofluidikvorrichtung via Soft-Lithographie mit Polydimethylsiloxan (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Es gibt eine Reihe JoVE Artikel, die Methoden zu veranschaulichen für die Herstellung PDMS mikrofluidischen Bauteilen [5]. Für diese Demonstration haben wir eine einfache geraden Kanal gewählt, mit folgenden Dimensionen: 2,2 mm Breite, 10 mm Länge und 260um Höhe. Die Ein-und Auslass Durchmesser 1,8 mm und 5,1 mm (Abbildung 1). Reversibel befestigen PDMS Gerät Objektträger, indem Sie sie auf einen Objektträger aus Glas (oder ein anderes geeignetes Substrat) und Auspressen Luftblasen [5]. Eine reversible Bindung kann das Gerät werden mehrere Male wieder verwendet werden. Das Verfahren kann auch mit fest gebundenen Geräten verwendet werden, aber es ist nicht erforderlich. </li><li> Fill-Gerät mit Flüssigkeit. Die hydrophobe Natur von PDMS und den hydrophilen Charakter des Glases helfen verschieben Sie einen Tropfen, der am Eingang steht, oder Steckdose, in den Kanal. Wenn die Tropfen Flüssigkeit nicht will, in den Kanal selbst oder, wenn Blasen bewegen in den Kanal zu gehen, kann der Benutzer einen Tropfen Flüssigkeit am Eingang oder Ausgang gesetzt, und die Verwendung einer Pipette auf der gegenüberliegenden Seite, um die Flüssigkeit saugen durch den Kanal. Eine weitere Methode zur Unterstützung der Flüssigkeit zu bewegen in den Kanal ist durch die Trennung der PDMS-Gerät aus dem Glasträger und schonend reinigen PDMS-Gerät und den Objektträger mit Ethanol. Dies schaltet auf den PDMS und dem Glasträger ihre hydrophoben und hydrophilen Natur verbunden, die mit der Zeit und nutzen gewesen sein mag geschwächt haben. </li><li> Nach dem Befüllen Gerät mit Flüssigkeit, einen kleinen Tropfen auf der Einlass-und ein bigger auf der Auslassseite fallen. Stellen Sie sicher, passive Pumpen ist durch die Beobachtung der kleinen Tropfen am Einlass Zusammenbruch und Beobachten Strömung in Richtung des Auslasses passiert. Wieder stellen Sie sicher, es gibt keine Luftblasen im Inneren des Kanals. </li><li> Mit The Lee Company [3] VHS Mikrodosierung Starthilfe, zusammen ein oder mehrere Ventile (Ventil-Setup in Abbildung 2), bestehend aus dem Lee VHS M / 2 24 Volt Ventil, ein 0,062 MINSTAC Düsen mit Nennweite von 0,0100 &quot;, die Lee 0,062 Minstac zu Soft Tube Adapter, der Lee Spike and Hold-Treiber (für Benutzer steuern, nicht gezeigt) und den Lead Wire Versammlung (Anschluss des Ventils an der Spike and Hold-Treiber, nicht gezeigt). </li><li> Eine einfache Möglichkeit, die Ventile halten wird durch die Verwendung des Bioscience-Tools Miniatur-Halter (Abb. 2) [4]. Diese bieten eine Möglichkeit, genau zielen und halten Sie das Ventil an einer bestimmten Stelle während der Experimente durch Verkleben des Ventils an einem Ende des Inhabers und mit einem magnetischen Sockel (nicht dargestellt) auf der anderen Seite. </li><li> Machen Sie ein Reservoir-System, ein paar Meter über dem PDMS Mikrofluidikvorrichtung (in unserem Fall haben wir genutzt ¾ Unzen Spritzen offen für die Umgebungstemperatur, siehe Abbildung 2) platziert werden. Der Stausee bietet eine Förderhöhe zu den Düsen-Laufwerk, wobei der Druck proportional zur Höhe des Reservoirs. Alternativ kann die Düse Ventile können durch eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Mitteln (dh komprimiertes Gas) unter Druck gesetzt werden. Bringen Sie eine Spritze Nadel auf die Spritze. Ein typisches Spritzennadel wird einfach in 1,14 mm Innendurchmesser Schlauch befestigen. Die 1,14 mm Schlauch wird dann einfach in 1,58 mm (1 / 16 &quot;) Innendurchmesser Schlauch, der dann selbst eine Verbindung mit dem&quot; Soft Tube Adapter &quot;des Ventils befestigen. Um ein Auslaufen von Flüssigkeit in die 1,14 mm bis 1,58 mm Schlauchanschluss, kann man PDMS als Dichtstoff verwenden. Nun, da gibt es eine Linie zwischen der Kanüle und der Lee Co. Ventil, füllen Spritze Behälter mit Flüssigkeit. Eine zusätzliche Spritze und einem Ventil verwendet werden, um in den Spülvorgang (dargestellt, aber nicht in Abbildung 2 markiert) zu helfen. Legen Sie einen Magneten an der Seite des Ventils, das ist, wie sich diese Ventile gereinigt werden (sie sind in der Regel Magnetventile geschlossen), und beobachten Flüssigkeit zu fließen beginnen aus dem Reservoir durch das Ventil und die 0,0100&#39;&#39;Düse. </li><li> Kalibrieren System, indem ein Ventil geöffnet (offene Zeit ist die Zeit, dass das Ventil Flüssigkeit auf einer pro Puls Basis passieren lässt) und Frequenz (Anzahl der Impulse pro Sekunde). Aktivieren Sie ein Ventil für einen gewählten Zeitraum (eine Minute oder so, nur nicht vergessen, die gesamte Laufzeit). Wiegen Sie die Flüssigkeit, die aus dem Ventil geliefert wurde. Die Kenntnis der gesamten Laufzeit, Häufigkeit und pro-Puls offene Zeit, die Berechnung der Gramm pro Millisekunde Schuss aus dem Ventil. Diese &quot;Gramm pro Millisekunde&quot; Wert ermöglicht es Ihnen, eine offene Zeit für jede gewünschte Lautstärke kann der Anwender möchten aus dem Ventil geliefert werden wählen. </li></ol></li></ol> Beispiel: System für eine Minute (60 Sekunden) aktiviert. Die Frequenz lag bei 15 Hz (15 Impulse pro Sekunde). Die pro-Puls offene Zeit betrug 20 Millisekunden (ms). (20ms) (15Hz) (60s) = 18000ms. Dies bedeutet, dass von den 60.000 ms in einer Minute wurde das Ventil tatsächlich für 18.000 ms öffnen. Nehmen wir an, das Volumen der Flüssigkeit geliefert 5 Gramm gewogen. Dann, 5 Gramm / 18000 ms = 2.78e -4 Gramm / ms. Im Falle von Wasser, mit seiner Dichte zu einem Gramm pro Milliliter (ml) 2.78e -4 Gramm / ms = 2.78e -4 ml / ms. Nach der Kalibrierung wird das Volumen eines Tropfens abhängig von der offenen Zeit. Zum Beispiel mit einer offenen Zeit von 20ms, und alle Parameter gleich bleiben wie im vorigen Beispiel, (2.78e -4 ml / ms) (20 ms) = 5.56e -3 ml = 5,56 ul. Um die offene Zeit y benötigt, um einen Tropfen x Mikroliter (ul) Volumen zu machen, (X ul) / [(2.78e -4 ml / ms) (1000 ul / ml)] = y ms 8) Ziel eine oder mehrere Düsen mit dem Einlass der PDMS-Gerät (Abbildung 3). Nachdem das System kalibriert, Berechnung des Volumens kommen aus jedem Ventil, basierend auf Mikrofluidikvorrichtung Dimensionen. Für High-Speed-passive Pumpen (zum maximalen Durchfluss zu erhalten), die Berechnung der Ein-Tropfen-Volumen notwendig, um einen Einlass Tropfen, die eine 90deg Kontaktwinkel besitzt mit Ein-Oberfläche [2] zu schaffen. Für Paket-Erstellung, Berechnung Ventil Frequenz und offene Zeiten und die Steuerzeiten notwendig, zwei Ventile in der Reihenfolge zu aktivieren. Wie in Abbildung 3 zu sehen, können die beiden Düsen am Eingang hingewiesen werden. Dies kann auf mehrere Düsen erweitert, die alle auf dem Kanal Eingang gerichtet. Repräsentative Ergebnisse: Wenn sie richtig kalibriert, mit geöffnetem Ventil mal richtig berechnet und die Düsen richtig am Eingang soll, sollte der Benutzer in der Lage sein zu sehen, fließen passiv gepumpt (Abbildung 4). Ein Burst von flüssigen should kommen aus dem Ventil und erreichen den Eingang. Als Flüssigkeit in die Bucht, es ist ein Instant-Zusammenbruch der Einlass Drop in den Kanal, auf den Auslass. Die Flüssigkeit in den Kanal bewegt sich nur während des Zusammenbruchs der einen Einlass fallen. Komplette flüssige Bewegung innerhalb des Kanals stoppt am Ende des Tropfens Zusammenbruch und bietet für sofortige Flüssigkeit zu stoppen und gut definierte fluidische Grenzen (in dem Fall, dass der Benutzer fließt mehreren Flüssigkeiten). Die Dauer der Drop Zusammenbruch hängt von der Einlassöffnung Radius und das Volumen der Ein-drop [1]. In unserem Versuchsaufbau und Design, tritt Einlass drop Zusammenbruch in einer Angelegenheit von ein paar Millisekunden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure1.jpg"><img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure1tmb.jpg" alt="Abbildung 1" /></a> Abbildung 1. PDMS Mikrofluidik-Gerät mit einem Eingang, links, und einen Ausgang, rechts. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure2.jpg"><img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure2tmb.jpg" alt="Abbildung 2" /></a> Abbildung 2. Reservoir und Ventil-Setup. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure3.jpg"><img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure3tmb.jpg" alt="Abbildung 3" /></a> Abbildung 3. Zwei Ventile, die beide an einem Eingang eines mikrofluidischen Gerät ab. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure4.jpg"><img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure4tmb.jpg" alt="Abbildung 4" /></a> Abbildung 4. Time-Schrittfolge (33 Millisekunden) der Einlass-drop Zusammenbruch folgenden Fluid Ausstoß aus einem Ventil.

<ol><li>Berthier, E., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+rate+analysis+of+a+tension+driven+passive+micropump%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Flow rate analysis of a tension driven passive micropump.</a> Lab Chip. 7, 1475-1478 (2007).</li>
<li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Prototyping+of+Microfluidic+Systems+in+Poly%28dimethylsiloxane%29%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane).</a> Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).</li>
<li>Harris, J., Lee, H., Vahidi, B., Tu, C., Cribbs, D., Cotman, C., NL, J. eon <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-plasma+Bonding+of+PDMS+for+Inexpensive+Fabrication+of+Microfluidic+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices.</a> J Vis Exp. (9), (2007).</li>
<li>Walker, G. M., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+passive+pumping+method+for+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A passive pumping method for microfluidic devices.</a> Lab Chip. 2 (3), 131-134 (2002).</li>
</ol>

<ol><li> Für High-Speed-passive Pumpen, wenn die richtige Kombination aus Frequenz und pro Puls Volumen (aufgrund der richtige offene Zeit) gewählt wird, sollte der Benutzer sehen, was scheint eine statische Drop oder Schale am Eingang und eine sehr schnelle Fließgeschwindigkeit innerhalb Kanal sein. Wenn ein Überlauf stattfindet, sind die offenen Zeit und / oder die Frequenz zu hoch. </li><li> Um festzustellen, Dynamik / Oberflächenspannung Interaktionen, sollte der Benutzer einen Impuls in einer Zeit, Pumpe und beobachten Sie die intra-Kanal-...

<table><tbody><tr><td>Sylgard 184 Silikonelastomer-Basis</td><td>Dow Corning</td><td>MSDS Nr.: 01064291</td><td></td></tr><tr><td>Sylgard 184 Silikonelastomer-Härtungsmittel</td><td>Dow Corning</td><td>SDB Nr.: 01064291</td><td></td></tr><tr><td>VHS-Mikrodosier-Starterset</td><td>The Lee Company</td><td>IKTX0322000A</td><td></td></tr><tr><td>Miniaturhalter</td><td>Bioscience-Tools</td><td>MH-2</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Steuerungssystem</td></tr><tr><td>Schlauch mit 1,14 mm Innendurchmesser</td><td>Scientific Commodities Inc.</td><td>BB31695-PE/7</td><td></td></tr><tr><td>Schlauch mit 1,57 mm Innendurchmesser</td><td>Scientific Commodities Inc.</td><td>BB31695-PE/10</td><td></td></tr><tr><td>20 mL BD&amp;#8482; Luer-Lok-Spitzen-Spritze, nicht steril</td><td>BD Biosciences</td><td>301032</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;ol&gt;&lt;li&gt;&lt;a href=&quot;http://www.theleeco.com&quot;&gt;http://www.theleeco.com&lt;/a&gt;.&lt;/li&gt;&lt;li&gt;&lt;a href=&quot;http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm&quot;&gt;http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm&lt;/a&gt;.&lt;/li&gt;&lt;/ol&gt;</td></tr></tbody></table>

high speed ​​droplet-based delivery system für passive pumping in mikrofluidiksysteme

High Speed Droplet-based Delivery System for Passive Pumping in Microfluidic Devices

Ein neuartiger Mikrofluidik-System wurde entwickelt, nutzt das Phänomen der passiven Pumpen zusammen mit einem Benutzer gesteuert Tropfen Fluid auf Delivery-System. Passive Pumpen ist das Phänomen durch die Oberflächenspannung Druckunterschiede Antriebsfluid Bewegung in geschlossenen Kanälen induziert. Die automatisierte Fluidabgabe System besteht aus einer Reihe von Spannung gesteuerte Ventile mit Mikrodüsen verbunden mit einem Vorratsbehälter und einer Steuerung. Diese Spannung gesteuerte Ventile bieten eine volumetrisch präzise Art, Fluid-Tröpfchen mit dem Einlass eines mikrofluidischen Gerät in einer hohen Frequenz Weise zu liefern. Basierend auf den Abmessungen in der aktuellen Studie beispielsweise gezeigt, ist das System fließfähig 4 Milliliter pro Minute (über einen 2,2 mm von 260um Querschnitt Kanal). Basierend auf diesen gleichen Kanal Abmessungen kann Flüssigkeitsaustausch von einem Punkt im Inneren des Kanals in weniger als acht Millisekunden erreicht werden. Es wird beobachtet, dass es Wechselwirkungen zwischen Dynamik des Systems (vermittelt durch eine Kombination der Tröpfchen durch die Ventile und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in den Kanal erstellt), und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Wo Schwung Geschwindigkeit bietet, um den Fluidstrom (oder umgekehrt), Ausgleich der Oberflächenspannung am Eingang bietet ein jähes Ende zu einer Strömung. Diese plötzliche Stopp ermöglicht dem Benutzer, die Fließeigenschaften des Kanal-Steuerung und öffnet die Tür für eine Vielzahl von biologischen Anwendungen im Bereich irgendwo von Reagenz Lieferung an Drogen-Zell-Studien. Es wird auch beobachtet, dass, wenn Düsen am Einlass bei flachen Winkeln ausgerichtet sind, den Tropfen Dynamik können zusätzliche interessante Flüssigkeit Phänomene, wie das Mischen mehrerer Tröpfchen in der Zulauf zu verursachen.

Ein neuartiger Mikrofluidik-System wurde entwickelt, mit dem Phänomen der passiven Pumpen und einem Benutzer gesteuert Flüssigkeit Delivery-System. Das Mikrofluidik-System hat das Potenzial, in einer Vielzahl von biologischen Anwendungen aufgrund ihrer niedrigen Kosten, einfache Handhabung, volumetrische Genauigkeit, hohe Geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit und Automatisierung eingesetzt werden.

High Speed ​​Droplet-based Delivery System für Passive Pumping in Mikrofluidiksysteme

Es wurde ein neuartiges mikrofluidisches System entwickelt, das das Phänomen des passiven Pumpens in Verbindung mit einer benutzergesteuerten, tropfenbasierten Flüssigkeitsabgabe nutzt ...

Die passive Pumpe erfordert einen großen Tropfen am Auslass und einen kleinen Tropfen am Einlass. Dies erzeugt die notwendige Druckdifferenz, um den Fluss anzutreiben. Abwechselnde Tropfen unterschiedlicher Flüssigkeiten führen dazu, dass Pakete durch den Kanal transportiert und schließlich am Auslass gesammelt werden.Hohe Durchflussraten können erreicht werden, indem Tropfen mit geringem Volumen mit einer ausreichend hohen Frequenz zugeführt werden, um eine stabile Flüssigkeitshülle am Einlass zu erzeugen. Hallo, ich bin Pedro Reto aus dem Justin-Williams-Labor der Abteilung für Biomedizinische Technik an der University of Wisconsin Medicine. Und ich bin Brian Mogan, ebenfalls aus dem Williams-Labor.Und ich bin Aaron Burier aus dem Labor von Professor S, ebenfalls aus der Abteilung für biomedizinische Technik an der W Medicine. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur passiven Pumpung in mikrofluidischen Vorrichtungen. In unserem Labor verwenden wir dieses Verfahren, um Strömungen in Mikrokanälen sowie den fluidischen Austausch innerhalb des Kanals für biologische Anwendungen zu untersuchen.Beginnen wir also. Erstellen Sie zunächst mithilfe der Technik der weichen Lithografie ein mikrofluidisches Gerät aus Polymethylsuboxon. Schneiden Sie danach das Gerät aus und verbinden Sie es dann reversibel.Befestigen Sie das PDMS-Gerät an einem Objektträger, indem Sie es auf den Träger drücken und dabei eventuelle Luftblasen herausdrücken. Eine reversible Befestigung ermöglicht es, das Gerät mehrfach zu verwenden. Füllen Sie das Gerät nun mit Flüssigkeit.Wir verwenden Wasser mit Lebensmittelfarbe. Wenn die Flüssigkeit nicht von selbst in den Kanal eindringt, geben Sie einen Tropfen Flüssigkeit am Einlass ab und saugen Sie die Flüssigkeit mit einer Pipette am gegenüberliegenden Ende durch den Kanal. Nachdem das Gerät mit Flüssigkeit gefüllt wurde, bringen Sie einen kleinen Tropfen am Einlass und einen größeren Tropfen am Auslass an.Stellen Sie sicher, dass sich die Flüssigkeit bewegt, indem Sie beobachten, wie der kleine Tropfen am Einlass zusammenfällt, während der Tropfen am Auslass größer wird. Bevor wir fortfahren, erläutern wir die grundlegenden Zusammenhänge der passiven Pumpung. Die Dynamik der gepumpten Tropfen hängt von mehreren Faktoren ab: den Kanalabmessungen mit Höhe und Länge sowie von der Größe des Tropfens, der am Einlass platziert wird.Um Ihnen eine bessere Vorstellung davon zu vermitteln, wie diese Faktoren den Durchfluss beeinflussen, werden wir einige Beispiele geben. Beginnen wir mit zwei ähnlichen Kanälen. Sie haben dieselbe Breite und Höhe, aber einer ist länger als der andere.Jetzt geben wir Tropfen gleicher Größe am Einlass jedes Kanals auf. Beobachten Sie, wie der Tropfen am Einlass des kürzeren Kanals schneller zusammenbricht als der des längeren Kanals. Der Grund hierfür ist, dass ein längerer Kanal einen höheren fluidischen Widerstand aufweist und die Strömung innerhalb langsamer verläuft.Nun betrachten wir zwei weitere Kanäle mit gleicher Länge und Höhe, jedoch unterschiedlicher Breite. Bringen wir identische Tropfen am Eingang jedes Kanals an und beobachten deren Zusammenbruch. Beachten Sie, wie der schmalere Kanal länger benötigt, um den Eingangstropfen zusammenfallen zu lassen?Das liegt daran, dass der dünnere Kanal einen größeren fluidischen Widerstand aufweist als der breitere Kanal. Zuletzt betrachten wir zwei identische Kanäle und bringen Tropfen unterschiedlicher Größe am Einlass jedes Kanals an. Beachten Sie, wie der größere Einlasstropfen länger zum Zusammenbruch benötigt als der kleinere Einlasstropfen.Das liegt daran, dass ein kleinerer Tropfen ein geringeres Volumen und einen höheren inneren Druck als ein größerer Tropfen aufweist. Da bekannt ist, dass kleinere Tropfen besser sind als größere, und da beobachtet wurde, wie schnell diese kleinen Tropfen kollabieren können, fragen wir uns nun, wie man volumetrisch präzise Tropfen so an den Eingang eines Kanals abgeben kann, dass biologische Experimente durchgeführt werden können.Stellen Sie mithilfe des Mikrodosier-Starters von Lee Company ein oder mehrere Ventile zusammen, die jeweils aus dem Vol-Ventil, einer Düse mit einer Öffnungsgröße von 0,0100 Zoll und einem weichen Schlauchadapter bestehen. Hier haben wir also das Ventil, das über die Schlauchventil-Anschlüsse mit der Steuerbox verbunden ist, wie im vorherigen Schritt durchgeführt. Außerdem verfügen wir über eine Spitzenspannungsquelle, die sich an dieser Wurzel hier befindet.Dann folgt unsere Steuerspannungsquelle, gefolgt von der Haltespannungsquelle. Schließlich wird eine Verbindung zur Masse hergestellt, um die Ventile in Position zu halten, während auf den Einlass gezielt wird. Verwenden Sie Biowissenschaftliche Werkzeuge, Miniaturhalter.Sie ermöglichen es, das Ventil präzise in einer bestimmten Position auszurichten und zu halten. Verwenden Sie während der Experimente Drei-Viertel-Unzen-Spritzen, um ein Reservoirsystem anzuschließen, das einige Fuß über der PDMS-Vorrichtung platziert wird. Das Reservoir erzeugt einen Druckunterschied, der die Düsen antreibt.Befestigen Sie eine Spritzenkanüle an der Spritze. Befestigen Sie nun die Spritzenkanüle an einem Innenschlauch mit 1,14 Millimeter Durchmesser und anschließend diesen an einem Schlauch mit 1,58 Millimeter Innendurchmesser. Verwenden Sie PDMS als Dichtmittel.Verbinden Sie nun den Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1,58 Millimetern mit dem Weichschlauchadapter des Ventils. Da nun eine Leitung zwischen der Spritzennadel und dem Ventil besteht, füllen Sie die Spritzenreservoirs mit Flüssigkeit, um die Ventile zu entlüften und das Rohr mit Wasser zu füllen. Platzieren Sie einen Magneten an der Seite des Ventils und beobachten Sie, wie die Flüssigkeit aus dem Reservoir durch das Ventil und aus der Düse mit einem Durchmesser von 0,01 Zoll zu fließen beginnt.Wir steuern dieses System mit einem Computer über LabView und die Spike-and-Hold-Steuerbox der Firma Lee. Zum Kalibrieren des Systems richten Sie ein Ventil auf eine Petrischale oder ein Wiegeschiffchen aus. Öffnen Sie nun das Ventil für einen beliebig gewählten Zeitraum und wiegen Sie das Gesamtvolumen des aus der Düse austretenden Wassers.Teilen Sie dieses Volumen durch die gesamte Offenzeit des Systems. Diese Kalibrierung ermöglicht es dem Anwender, das Volumen des Wassers zu bestimmen, das für einen bestimmten Zeitraum aus der Düse austritt. Nachdem das System kalibriert wurde, richten Sie die Düse auf den Eingang eines Kanals aus, basierend auf der vorherigen Kalibrierung; spritzen Sie eine solche Wassermenge aus der Düse, dass ein Tropfen am Eingang des Kanals abgegeben wird, ohne zu groß zu sein und Unordnung zu verursachen oder zu klein, um bemerkt zu werden.Denken Sie daran, Blasen zwischen den Experimenten zu entfernen. Nachdem nun die grundlegenden Prinzipien des passiven Pumpens verstanden sind und die Systemkalibrierung erläutert wurde, betrachten wir, was ein Anwender sehen sollte, wenn alles ordnungsgemäß funktioniert. Das folgende Video zeigt einen Durchfluss durch einen mikrofluidischen Kanal, beginnend mit größeren Volumina bei niedrigeren Frequenzen und wechselnd zu geringeren Volumina bei höheren Frequenzen.Dies sollte dem Benutzer ein Verständnis für die Fähigkeiten der früheren Pumpentechnik sowie eines automatisierten fluidischen Abgabesystems vermitteln. Die in den folgenden Videos verwendeten Geräteabmessungen betragen 2,22 Millimeter Breite, 10 Millimeter Länge und 260 Mikrometer Höhe. Die Durchmesser von Einlass und Auslass betragen jeweils 1,78 Millimeter und 5,11 Millimeter.Zwei oder mehr Ventile sind erforderlich, um abwechselnde Strömungen zu erzeugen, wie oben dargestellt. Danach folgt ein Video, das die maximal mögliche Durchflussrate des derzeit verwendeten Geräts zeigt. In diesem Fall wird ein einzelnes Ventil verwendet, um die Flüssigkeit zuzuführen.Um das Systemgleichgewicht aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, das Ventil direkt von oben auf den Einlass auszurichten. Achten Sie auf die Hülle, die der Tropfen am Einlass bildet. Dies stellt den konstanten Druck dar, der dadurch aufrechterhalten wird, dass Wasser so schnell zum Einlass geleitet wird, wie das Gerät es passiv durchpumpen kann.Achten Sie außerdem darauf, wie der Einlass-Tropfen an einem bestimmten Punkt überläuft. Dies wird höchstwahrscheinlich durch eine Störung des Auslass-Tropfens verursacht. Durch das Entfernen des Überlaufs am Einlass erreicht das System wieder das Gleichgewicht, und der Fluss setzt sich fort.Normalerweise haben wir Ihnen gerade gezeigt, wie man ein passives Pumpsystem unter Verwendung handelsüblicher Mikrodüsen einrichtet, kalibriert und bedient. Bei der Durchführung dieser Experimente ist es stets wichtig, sich daran zu erinnern, eine stabile Druckquelle zu verwenden, um zu verhindern, dass Blasen in Ihren Kanal gelangen, die Wechselwirkungen zwischen Kanalgeometrie und Tropfengröße zu berücksichtigen, um die gewünschten Strömungen und Austauschvorgänge zu erreichen, und darauf zu achten, dass der Auslasstropfen nicht zu groß wird, da er andernfalls Unordnung verursachen oder Ihren Einlass erreichen könnte, sowie darauf, Ihre PDMS-Vorrichtungen sauber und trocken zu halten.Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.

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