Reduzierte Gravitationsbereich Hardware Demonstrationen eines Prototyps Miniaturisierte Durchflusszytometer und Companion Microfluidic Mischtechnik

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein miniaturisiertes Durchflusszytometer an Bord eines Fluges mit reduzierter Schwerkraft im Rahmen einer Parabelflugkampagne zu betreiben, wobei die Vorbereitung der Komponenten und die Abläufe im Flug möglicherweise auf andere Aufbauten übertragbar sind. Dies wird erreicht, indem zunächst sorgfältig handelsübliche und speziell angefertigte Komponenten hinsichtlich ihrer Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit unter Bedingungen reduzierter Schwerkraft ausgewählt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die Komponenten in einer Versuchsanordnung für den Parabelflug zusammenzubauen, die zusätzliche Elemente zur sicheren Eingrenzung, zur Beobachtung sowie zur Automatisierung und Erleichterung mehrerer Demonstrationen enthält.

Anschließend bereitet das Team durch sorgfältige Planung, Protokollentwicklung und Schulung den erfolgreichen Einsatz von Experimenten im Flug vor. Der letzte Schritt besteht in mehrkomponentigen Demonstrationen während des Flugs. Letztendlich dient die Parabelflugprüfung dazu, die potenziellen Raumfahrtanwendungen der Technologie aufzuzeigen und die Auswirkungen von Schwerelosigkeit, gravitativen Änderungen und Vibrationen auf die Leistungsfähigkeit zu ermitteln.

Obwohl diese Methode auf die Durchflusszytometrie und verwandte Technologien angewendet werden kann, ist sie auch teilweise auf andere Arten individueller Diagnosetests unter reduzierter Schwerkraft übertragbar, insbesondere auf solche mit mehreren Demonstrationen oder Auslöseprozeduren. Daher haben wir uns entschieden, dieses Video für JO über Parabelflugtests zu erstellen, denn als wir uns auf unsere Parabelflüge mit NASA vorbereiteten, gab es praktisch kaum Videos oder sogar Literatur, die beschrieben, wie man sich am besten auf solche Experimente vorbereitet. Wir mussten uns tatsächlich sehr, sehr bemühen, die richtigen Ansprechpartner an verschiedenen Standorten der NASA ausfindig zu machen, um diese Informationen hier zu erhalten.

In diesem Fall möchten wir diese Informationen für die Leserschaft von JoVE bereitstellen, damit auch sie sich angemessen auf diese Flüge vorbereiten können. Der Aufbau eines einfachen Durchflusszytometriesystems für den Einsatz unter Schwerelosigkeitsbedingungen erfordert mehrere Prototypkomponenten aus den Bereichen Fluidik, Optik und Elektronik. Beginnen Sie mit der Vorbereitung eines Drucksystems mit minimalem Gewicht und geringem Energiebedarf, um das System anzutreiben.

Die Fluidik verbindet eine miniaturisierte Luftpumpe mit einem Differenzdrucksensor. Als Nächstes montieren Sie einen Fluidbehälter, der beladen werden kann, ohne dass Luft eingeschlossen wird. Verwenden Sie ein starres Kunststofffläschchen mit einer elastischen Gummimembran, einem fest verschließbaren Deckel und einer Zuleitung für Luft am Fläschchenboden.

Versiegeln Sie die Verbindung des Zuluftschlauchs mit optischem Klebstoff. Legen Sie eine temporäre Schlauchklemme über das Kapillar-Auslassrohr, um während und nach dem Einsetzen des Käppchens ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. Um die Ampulle zu befüllen, erweitern Sie das Membran mit einer Spritze, die an den Luftzulauf angeschlossen ist.

Geben Sie Flüssigkeit bis zum Rand hinzu und setzen Sie den Verschluss schräg auf, sodass keine Luft darunter eingeschlossen wird. Entfernen Sie den Schlauchklemmer kurzzeitig, um die Auslassleitung zu entlüften und den durch die Membran verursachten Kollapsdruck abzulassen. Stellen Sie sicher, dass die Pumpe das Fläschchen ohne Luft- oder Flüssigkeitsaustritt unter Druck setzt.

Komprimieren des Membranschlauchs, um den Fluss der Flüssigkeit aus dem Kapillar-Auslassschlauch zu erzeugen. Die dritte erforderliche Komponente ist ein Behälter zur Aufnahme von Flüssigkeitsabfall, der Abfall sammelt, ohne einen Gegendruck aufzubauen, der den Durchfluss beeinträchtigen würde. Verwenden Sie ein in ein anderes Gefäß geklebtes Vial, das für eine doppelte Abschirmung konzipiert ist.

Verschließen Sie die Vials mit einem gesicherten Schaumstofffenster, das schwimmende Flüssigkeiten einfängt, jedoch einen Druckausgleich mit der Kabinenumgebung ermöglicht, um einen Probenzuführer für den Einsatz in Maschinen unter reduzierter Schwerkraft herzustellen, und bauen Sie eine federbelastete Klemmkonstruktion mit Führungsschienen, sodass sie zuverlässig eine mantelgefüllte Kapillare zwischen zwei O-Ringen in der Fluidleitung fixiert. Stellen Sie sicher, dass die Federn in Abwesenheit einer Kapillare die O-Ringe zusammenpressen, um die Fluidleitung abzuschließen und eine spannungsfreie Befüllung ohne Leckage zu ermöglichen. Entwerfen Sie einen Mikromischer, der nicht auf angetriebene mechanische Unterkomponenten zur Funktion angewiesen ist.

Mithilfe der schnellen Prototyp-Methode aus Polymethylmethacrylat wird ein zweikanaliger spiralförmiger Wirbelmikrovermischer zur Detektion einzelner durchströmender Partikel ausgewählt und hergestellt. Befestigen Sie einen maßgeschneiderten, handflächengroßen miniaturisierten optischen Block mithilfe handelsüblicher optomechanischer Komponenten auf einer Mikroskop-Brettplatte. Der letzte Schritt bei der Prototypenmontage besteht darin, Elektronik und Software für die Gerätesteuerung und Datenerfassung zu entwerfen.

Der Einfachheit halber und für frühe Prototypen verwenden Sie manuell gelötete Bauteile, die mit handelsüblichen Datenerfassungskarten, Code und Programm verbunden sind, sowie eine benutzerdefinierte Software zur Steuerung der Versuchsanordnungen und zur Synchronisierung aller Daten. Entfernen Sie den Laptop-Akku und stellen Sie den Laptop so ein, dass er ausschließlich über das Netzkabel betrieben wird. Aus Sicherheitsgründen bei Flügen mit reduzierter Schwerkraft muss das elektrische Versorgungssystem zur Stromversorgung aller Geräte eine Vorrichtung für eine schnelle und vollständige elektronische Abschaltung enthalten.

In der Luft. Ein einzelnes Stromverteilerband mit einer einzigen Ein-Aus-Taste ist an die Stromverteilungseinheit des Flugzeugs angeschlossen. Für eine erfolgreiche Durchführung im Flugbetrieb müssen der gesamte verfügbare Platz sowie dessen Aufteilung in Experimentieraufbaufläche und Nutzerfläche um den Aufbau herum berücksichtigt werden. Der insgesamt verfügbare Platz ist auf einen kleineren Bereich begrenzt als bei einer vergleichbaren Bodendemonstration zur Verfügung stünde.

Bestimmen Sie, auf welche Komponenten am besten in kniender oder stehender Haltung zugegriffen werden sollte. Es ist ebenfalls wichtig zu überlegen, welche Komponenten am meisten von dem Schutz profitieren, den eine Tragkonstruktion bietet. Die hier verwendete Tragkonstruktion für das Gerät ist ein vertikaler Geräte-Rack, der Flugbeschleunigungen standhalten und sicher am vorgesehenen Flugzeug befestigt werden kann.

Die Bodenfläche der Kabine wies Komponenten verschiedenen Ebenen im Rack zu: eine obere Ebene für den Laptop, eine mittlere Rack-Ebene für Prototyp-Subkomponenten und eine untere Ebene für zusätzliche Tücher, Handschuhe und einen Behälter für sonstige Abfälle. Um den Prototypen zu sichern und Proben betrachten zu können, müssen verschiedene nicht zum Prototypen gehörende Komponenten hergestellt oder angepasst werden. Dazu gehören eine speziell angefertigte Acrylbox zur Aufnahme der Elektronik und eine speziell angefertigte Acryl-Handschuhbox mit Armzugangsöffnungen, die einen kubischen Raum bereitstellt, in dem eine Ladedemonstration durchgeführt werden kann, ohne die Flugkabine zu kontaminieren.

Um eine Demonstration des Mikromischers aufzuzeichnen, befestigen Sie ein Stereomikroskop an der Steckplatte, die mit einem speziellen Halter aus Acrylglas und einer CCD-Kamera ausgestattet ist. Um eine sichere Demonstration des optischen Blocks zu ermöglichen, verwenden Sie eine spezielle lichtundurchlässige Acrylbox, um Streulicht abzuschirmen und Lasergefahren zu kontrollieren. Einige einfache Konstruktionsstrategien können den Bedarf an manueller Schlauchverlegung, Justierungen während des Betriebs oder anderen Handlungen, die erhebliche Geschicklichkeit erfordern, überflüssig machen.

Beispielsweise können mehrere Quelldateien gleichzeitig unter Druck gesetzt werden, indem eine spezielle Maschine verwendet wird, die ein Druckverteiler-System umfasst, bestehend aus einem ausgehöhlten Zylinder, der an eine Einlassnadel und mehrere Auslassschläuche angepasst ist, um die Strömungsrichtung der Flüssigkeit zu steuern. Mithilfe des Computers wird ein Feld aus Umschaltmagnetventilen zusammengestellt. Diese werden über in Reihe geschaltete MOSFET-Schalter gesteuert, die mit einer DAQ-Karte verdrahtet sind.

Die dreiwegigen Magnetventile verfügen über einen gemeinsamen Anschluss, der stets mit entweder dem standardmäßigen Aus-Anschluss oder dem Ein-Anschluss verbunden ist. Der Wechsel in den Ein-Zustand wird durch ein Fünf-Volt-Signal ausgelöst. Programmieren Sie die Software so, dass sie die Demonstrationen durchführt, wobei einzelne Tasteneingaben, wie beispielsweise ein einzelner Klick auf dem Laptop, verwendet werden, um den Ventilzustand umzuschalten oder den Pumpendruck zu verändern.

Dies vermeidet die Notwendigkeit manueller Schlauchanpassungen, die zu Undichtigkeiten in die Umwelt und zum Verlust von Versuchszeit in einem chaotischen Umfeld führen können. Die Demonstration des Probenladens umfasst das Beladen einer Probe und das Transportieren der Probe zum optischen Block oder OB zur Detektion. Der Aufbau nutzt zwei Ventile, eines vor und eines nach dem Lader.

Während des Ladevorgangs werden beide Ventile ausgeschaltet, um den Flüssigkeitsfluss zu verhindern, während der Lader verwendet wird. Durch Einschalten der Ventile öffnet sich der Fluid-X-Weg, der sich von der Kochsalzlösungsflasche bis zur Abfallflasche erstreckt, wodurch die Pumpe die Probe zur Analyse fördern kann. Die Demonstration des optischen Blocks umfasst die sequenzielle Detektion von drei verschiedenen Probenarten, wobei keine manuelle Änderung der Schlauchverbindungen erforderlich ist; Kochsalzlösung kann das System zwischen den Proben durchspülen. Die Demonstration des Mikromischers umfasst Segmente zum Mischen von Blut und Kochsalzlösung sowie von blauer und gelber Farbstofflösung.

Die Vorrichtung verwendet zwei Ventile, um den Druck entweder zu den Blut- und Kochsalzlösungsfläschchen oder zu den Farbstofffläschchen zu leiten, sodass jeweils nur eine Mischdarstellung aktiv ist. Ein zusätzliches Ventil ermöglicht die Einspritzung von Luftblasen in den Mischchip für Blut und Kochsalzlösung. Das System muss für plötzliche Stöße, Vibrationen oder Passagierkollisionen während des Flugs vorbereitet sein.

Zur Stabilisierung der Ausrichtung tragen Sie schnell trocknenden Epoxidharz auf ausgerichtete Bauteile auf, die leicht verstellen können, insbesondere die optischen Komponenten. Tragen Sie zusätzlich industrielles Epoxidharz über den schnell trocknenden Epoxidharz auf, um weitere Bauteile bei Bedarf zu sichern, einschließlich der Befestigung der CCD-Kamera am Mikroskop-I-Stück für die Prüfung auf mechanische Störungen. Schütteln Sie die Tragstruktur mit allen Bauteilen an ihrem Platz.

Überprüfen Sie nach der Aussetzung des Aufbaus gegen die Störung die Funktionsfähigkeit der einzelnen Komponenten, insbesondere der ausgerichteten optischen Komponenten, die auf unerwartete Vorkommnisse im Flugbetrieb abgestimmt sind, einschließlich eines plötzlichen Nivellierens des Flugzeugs mitten im Experiment oder plötzlich auftretender Kräfte auf den Aufbau. Schützen Sie frei bewegliche Passagiere, indem Sie Polsterung am Rack anbringen. Ecken schulen mehrere Personen als primäre Bediener, um das Gerät im Flugbetrieb fachkundig zu bedienen.

Es ist unvorhersehbar, wer während der Parabelflüge krank wird, und ein bestimmter Nutzer kann bei einem Flug unbeeinträchtigt bleiben, während er bei einem anderen Flug erkrankt. Überprüfen Sie die Apparatur nach dem Transport zum Flugort, nehmen Sie alle erforderlichen Reparaturen vor und stellen Sie die Schlauchverbindungen her, bevor Sie sie an Bord des Flugzeugs bringen. Bereiten Sie an jedem Flugtag die Probenfläschchen vor und schließen Sie sie an, die den Demonstrationen des Tages entsprechen.

Bereiten Sie sich auf möglicherweise lange Zeiträume zwischen Aufbau und Experiment sowie auf hohe Umgebungstemperaturen abhängig vom Flugort vor. Vermeiden Sie Flugkrankheit, indem Sie bereitgestellte Medikamente wie Scopolamin zusammen mit Amphetamin einnehmen, und nutzen Sie mehrere frühe Parabeln, um sich an die Schwerkraftwechsel anzupassen, indem Sie langsam parallel zum Boden aufstehen und während der Phasen mit hoher Schwerkraft flach liegen. Sobald Sie in Flugposition sind, schaffen die Rig-Operatoren beim Annähern an den zugewiesenen Parabel-Luftraum ausreichend Platz, sodass die Rig-Operatoren während der Phasen mit hoher Gravitation liegen können und Zugang zu den Beinschlaufen erhalten, sobald die Parabeln beginnen.

Wenden Sie während der Schwerelosigkeit keine starken Kräfte auf den Körper an, da dies dazu führen kann, dass der Körper zu schnell nach oben geschleudert wird, was die Demonstration des Probengebers etwas gefährlich macht. Wenn das Flugzeug in den Zustand der Schwerelosigkeit übergeht, verwenden Sie die Probenspritze, um einen Tropfen der Mischung aus Zählperlen und Farbstoff auf eine Fingerspitze zu geben. Um eine Fingerkuppenblutentnahme zu simulieren, nehmen Sie die Probe mithilfe eines kapillaren Verbrauchsmaterials vom Finger auf und füllen Sie die Probe in den Kapillarladegerät ein.

Führen Sie die Probe in das optische System zur Detektion ein. Führen Sie die Demonstration des mikrofluidischen Mischers unter dem Mikroskop durch. Mischen Sie Blut und Kochsalzlösung im Verhältnis eins zu eins bei 1,52345 und sechs PSI für mindestens zwei Parabeln jeweils.

Videodaten synchron zu anderen Messungen aufzeichnen. Hier wird tatsächliche Filmmaterial aus dem Flug eines Mischvorgangs gezeigt. Luft in den Kochsalzlösungszulauf einspritzen, um zu testen, ob die Kanalarchitektur eine Blase einfängt, die eine optimale Durchmischung verhindern könnte. Mischen.

Blaue und gelbe Lebensmittelfarbstoffe bei 1,52345 und sechs PSI für mindestens zwei Parabeln jeweils. Erneut sind hier synchronisierte aufgezeichnete Daten dargestellt, die repräsentative Ergebnisse für zwei Mikromischerversuche zeigen, wie sie von einer an das Stereomikroskop angebrachten CCD-Kamera beobachtet wurden. A zeigt die Vermischung von blauem und gelbem Farbstoff unter Mikrogravitationsbedingungen, und Abbildung B zeigt die Vermischung von Blut und Kochsalzlösung unter Mondschwerebedingungen.

Die Durchmischung kann entlang der Spirale sowie im Ausgangskanal visuell beurteilt werden, was eine Demonstration der optischen Blockdetektion fluoreszenzmarkierter weißer Blutkörperchen während eines Mikrogravitationsflugs darstellt. Zu den entscheidenden Leistungskenngrößen für die Durchflusszytometriedaten gehören der Variationskoeffizient der Peakintensitäten, die Signal-Rausch-Verhältnisse, die Peak-Zählraten und die Detektionseffizienz, wie hier gezeigt. Die optische Blockdetektion scheint durch den Übergang von etwa 1,5 G auf nahezu null G kaum beeinträchtigt zu sein und setzt sich während des Rückübergangs zu 1,5 g fort.

Der Nachweis fluoreszierender Zählperlen, die nach der Demonstration des Loaders in Mondschwere in eine beladene Probe eingefügt wurden, zeigt an, dass die Probe erfolgreich geladen wurde und den optischen Block zur Detektion erreicht hat. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein besseres Verständnis dafür haben, wie man Geräteprüfungen durchführt und Schwerelosigkeit an Bord eines Parabelflugs reduziert, und insbesondere, welche Arten von Verfahren machbar sind. Sorgfältige Planung, Auswahl der Bauteile und Durchführung der Tests tragen alle dazu bei, eine hohe Ausbeute aus Ihrem Erlebnis zu gewährleisten.