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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein miniaturisiertes Durchflusszytometer an Bord eines Parabelflugs mit reduzierter Schwerkraft zu betreiben, wobei Komponentenvorbereitung und Flugverfahren verwendet werden, die möglicherweise an andere Setups angepasst werden können. Dies wird erreicht, indem zunächst sorgfältig handelsübliche und kundenspezifische Komponenten ausgewählt werden, um Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit bei reduzierter Schwerkraft zu gewährleisten. Der zweite Schritt besteht darin, Komponenten in einem Parabelflugprüfstand zusammenzubauen, der zusätzliche Elemente für die Eindämmung, die Automatisierung der Sichtung und die Erleichterung mehrerer Demonstrationen enthält.

Als nächstes bereitet sich das Team durch akribische Planung, Protokollentwicklung und Training auf erfolgreiche Experimente während des Fluges vor. Der letzte Schritt sind Mehrkomponentendemonstrationen im Flug. Letztendlich werden Parabelflugtests verwendet, um die potenziellen Anwendungen der Technologie in der Raumfahrt zu demonstrieren und die Auswirkungen von Schwerelosigkeit, Schwerkraftänderungen und Vibrationen auf die Leistung zu identifizieren.

Obwohl diese Methode auf die Durchflusszytometrie und verwandte Technologien angewendet werden kann, kann sie in Teilen auch auf andere Arten von individuellen diagnostischen Tests bei reduzierter Schwerkraft angewendet werden, insbesondere auf solche mit mehreren Demonstrationen oder Auslöseverfahren. Also haben wir uns entschieden, dieses Video für JO über Parabelflugtests zu machen, denn als wir uns auf unsere Parabelflüge mit der NASA vorbereiteten, gab es im Wesentlichen nicht so viele Videos oder sogar Literatur, die beschrieben, wie man sich am besten auf die Experimente vorbereitet. Wir mussten uns sehr, sehr sehr anstrengen, um mit den richtigen Leuten an verschiedenen Orten innerhalb der NASA zu sprechen, um diese Informationen hier auszugraben.

In diesem Fall möchten wir in der Lage sein, diese Informationen für die Leserschaft von Joe zu teilen, damit sie sich auch angemessen auf diese Flüge vorbereiten kann. Die Konstruktion eines einfachen Durchflusszytometriesystems für den Einsatz unter Bedingungen mit reduzierter Schwerkraft erfordert mehrere fluidische, optische und elektronische Prototypkomponenten. Beginnen Sie mit der Vorbereitung eines Drucksystems mit minimalem Gewichts- und Leistungsbedarf für den Antrieb des Systems.

Bei der Fluidik wird eine miniaturisierte Luftpumpe mit einem Differenzdrucksensor verbunden. Montieren Sie als Nächstes einen Flüssigkeitsquellenbehälter, der beladen werden kann, ohne dass die Luft eingeschlossen wird. Ein Fläschchen aus starrem Kunststoff mit einer elastischen Gummimembran, einer fest verschließbaren Kappe und einem Lufteinlassschlauch am Fläschchenboden.

Verschließen Sie den Anschluss des Einlassluftschlauchs mit optischem Klebstoff. Platzieren Sie eine provisorische Schiebeklemme über dem Kappenaustrittsschlauch, um ein Ausstoßen von Flüssigkeit während und nach dem Einsetzen der Kappe zu verhindern. Um das Fläschchen zu beladen, erweitern Sie die Membran mit einer Spritze, die mit dem Lufteinlass verbunden ist.

Gießen Sie Flüssigkeit nach oben ein und setzen Sie die Kappe schräg ein, so dass keine Luft darunter eingeschlossen wird. Entfernen Sie kurz die Schiebeklemme, um den Auslassschlauch zu entlüften und den von der Membran ausgeübten Einklappendruck abzulassen. Stellen Sie sicher, dass die Pumpe das Fläschchen unter Druck setzt, ohne dass Luft oder Flüssigkeit austritt.

Komprimieren der Membran, um den Flüssigkeitsfluss aus dem Austrittsschlauch der Kappe zu drücken. Die dritte benötigte Komponente ist ein Behälter für flüssige Abfälle, um Abfälle zu sammeln, ohne einen Gegendruck aufzubauen, der den Durchfluss beeinträchtigt. Verwenden Sie ein Fläschchen, das in ein Fläschchen geklebt ist, das für eine doppelte Eindämmung ausgelegt ist.

Verschließen Sie die Fläschchen mit einem gesicherten Schaumstoffschwammfenster, das schwimmende Flüssigkeiten auffängt, aber einen Luftdruckausgleich mit der Kabinenumgebung ermöglicht, um einen Probenlader für den Einsatz und eine Maschine mit reduzierter Schwerkraft herzustellen, und montieren Sie ein federbelastetes Klemmdesign mit Führungsschienen, so dass es zuverlässig als mit einer Schleuse angebrachte Kapillare zwischen zwei O-Ringen in der Flüssigkeitsleitung klemmt. Stellen Sie sicher, dass die Federn in Abwesenheit einer Kapillare die O-Ringe zusammendrücken, um die Flüssigkeitsleitung zu vervollständigen und eine Ansaugung ohne Undichtigkeit zu ermöglichen. Entwerfen Sie einen Mikromischer, der nicht auf angetriebene mechanische Unterkomponenten angewiesen ist, um zu funktionieren.

Unter Verwendung des Rapid-Prototyp-Polymethyl-Soane-Verfahrens wird ein Spiralwirbel-Mikromischer mit zwei Einlässen ausgewählt und hergestellt, um einzelne fließende Partikel zu detektieren. Montieren Sie einen speziell angefertigten, handtellergroßen optischen Miniaturblock mit handelsüblichen optomechanischen Komponenten auf einer Mikroskop-Steckbrettplatte. Der letzte Schritt bei der Prototypenmontage besteht darin, Elektronik und Software für die Gerätesteuerung und Datenerfassung zu entwerfen.

Verwenden Sie für die Bequemlichkeit und das frühzeitige Prototyping handgelötete Teile, die mit handelsüblichen Datenerfassungskarten, Code und Programm verbunden sind, sowie eine benutzerdefinierte Software zum Betrieb von Rig-Geräten und zur Synchronisierung aller Daten. Entfernen Sie den Laptop-Akku, und stellen Sie den Laptop so ein, dass er nur über das Netzkabel betrieben wird. Aus Sicherheitsgründen muss das Stromversorgungsschema für alle Geräte bei Flügen mit reduzierter Schwerkraft einen Mechanismus für eine schnelle und vollständige elektronische Abschaltung enthalten.

Im Flug. Eine einzelne Steckdosenleiste mit einem einzigen Ein-Aus-Knopf ist für eine erfolgreiche Leistung während des Fluges mit dem Stromverteiler des Flugzeugs verbunden. Der insgesamt verfügbare Platz und die Aufteilung zwischen dem Platz der Versuchsanlage und dem Benutzerraum um die Anlage herum müssen berücksichtigt werden. Die insgesamt zur Verfügung stehende Fläche ist auf eine kleinere Fläche begrenzt als für eine ähnliche Demonstration vor Ort.

Bestimmen Sie, auf welche Komponenten in knigender oder stehender Höhe besser zugegriffen werden kann. Es ist auch wichtig zu überlegen, welche Komponenten am meisten von dem Schutz profitieren, der innerhalb einer Stützstruktur erreicht wird. Bei der Stützstruktur der Bohrinsel handelt es sich um ein vertikales Gerätegestell, das Flugbeschleunigungen standhält und sicher am vorgesehenen Flugzeug befestigt werden kann.

Der Kabinenboden ordnete die Komponenten den Ebenen innerhalb des Racks zu, eine oberste Ebene zum Platzieren des Laptops, eine mittlere Rackebene zur Aufnahme von Prototyp-Unterkomponenten und eine Bodenebene zur Aufnahme von zusätzlichen Tüchern, Handschuhen und einem sonstigen Abfallbehälter. Um den Prototyp zu sichern und zu halten und Muster zu betrachten, müssen verschiedene Nicht-Prototyp-Komponenten hergestellt oder angepasst werden. Dazu gehören eine maßgefertigte Acrylbox zur Aufnahme der Elektronik und eine maßgefertigte Acrylhandschuhbox mit Armzugangslöchern, um einen kubischen Raum zu schaffen, in dem eine Ladervorführung durchgeführt werden kann, ohne eine Kontamination der Flugkabine zu riskieren.

Zur Aufnahme eines Mikromischer-Demonstrationsbolzens, eines Stereomikroskops auf der Breadboard-Platte, die mit einem kundenspezifischen Acryl-Chiphalter und einer CCD-Kamera ausgestattet ist. Um eine sichere Demonstration des optischen Blocks zu ermöglichen, verwenden Sie eine benutzerdefinierte undurchsichtige Acrylbox, um Umgebungslicht zu blockieren und Lasergefahren zu kontrollieren. Einige einfache Designstrategien können manuelle Schläuche, Anpassungen während des Fluges oder andere Aktionen, die viel Fingerfertigkeit erfordern, überflüssig machen.

Um beispielsweise mehrere Quelldateien gleichzeitig unter Druck zu setzen, verwenden Sie eine spezielle Maschine, um einen Verteiler unter Druck zu setzen, der aus einem ausgehöhlten Zylinder besteht, der an eine Einlassnadel angepasst ist, und mehreren Auslassschläuchen zur Steuerung der Richtung des Flüssigkeitsflusses. Bauen Sie mit dem Computer eine Schalttafel aus Dreiwege-Magnetventilen zusammen. Gesteuert über Tandem-MOSFET-Schalter, die mit einer Datenerfassungskarte verdrahtet sind.

Die Dreiwege-Magnetventile haben einen gemeinsamen Anschluss, der immer entweder mit dem Standard-Aus- oder dem Ein-Anschluss verbunden ist. Das Schalten in den eingeschalteten Zustand wird mit einem Fünf-Volt-Signal ausgelöst. Die Software wurde so programmiert, dass sie die Demonstrationen mit Ein-Knopf-Eingriffen durchläuft, z. B. mit einem einzigen Klick auf den Laptop, um den Ventilstatus zu wechseln oder den Antriebsdruck der Pumpe zu ändern.

Dies vermeidet die Notwendigkeit manueller Rohranpassungen, die zu Leckagen in die Umgebung und zum Verlust von Experimentierzeit in einer chaotischen Umgebung führen können. Die Demonstration des Probenladers umfasst das Laden einer Probe und das Fahren der Probe zum optischen Block oder OB zur Detektion. Der Aufbau verwendet zwei Ventile, eines vor und eines nach dem Lader.

Während des Ladens sind beide Ventile ausgeschaltet, um eine Flüssigkeitsbewegung zu verhindern, wenn der Lader verwendet wird. Durch das Einschalten der Ventile wird der Flüssigkeits-X-Weg geöffnet, der sich vom Kochsalzfläschchen zum Abfallfläschchen erstreckt, sodass die Pumpe die Probe zur Analyse antreiben kann. Die Demonstration des optischen Blocks umfasst die sequentielle Detektion von drei verschiedenen Probentypen. Ohne dass die Schlauchanschlüsse manuell gewechselt werden müssen, ist Kochsalzlösung in der Lage, das System zwischen den Proben zu spülen. Die Demonstration des Mikromischers umfasst das Mischen von Blutsalzlösung und blau-gelben Farbstoffmischsegmenten.

Der Aufbau verwendet zwei Ventile, um den Druck entweder auf die Blut- und Kochsalzfläschchen oder auf die Farbstofffläschchen zu leiten, so dass jeweils nur eine Mischdemonstration aktiv ist. Ein zusätzliches Ventil ermöglicht die Injektion von Luftblasen in den Mischchip der Blutkochsalzlösung. Das System muss auf plötzliche Stöße, Kräfte, Vibrationen oder Passagierkollisionen während des Fluges vorbereitet sein.

Tragen Sie zur Stabilisierung der Ausrichtung schnell trocknendes Epoxidharz auf ausgerichtete Komponenten auf, die leicht falsch eingestellt werden können, insbesondere die optischen Komponenten. Tragen Sie auch industrietaugliches Epoxidharz auf das schnell trocknende Epoxidharz auf, um bei Bedarf andere Komponenten zu sichern, einschließlich der CCD-Kamerabefestigung am Mikroskop-I-Stück für die Prüfung physikalischer Störungen. Rütteln Sie an der Stützstruktur der Bohranlage, wobei alle Komponenten an Ort und Stelle sind.

Überprüfen Sie die Funktionalität einzelner Komponenten, nachdem Sie das Rig der Störung ausgesetzt haben, insbesondere die ausgerichteten optischen Komponenten, die für unerwartete Ereignisse während des Fluges trainiert wurden, einschließlich des plötzlichen Abflachens des Flugzeugs mitten in einem Experiment oder plötzlicher Kräfte, die auf das Rig treffen. Schützen Sie schwebende Passagiere, indem Sie den Träger mit einer Polsterung versehen. Corners schult mehrere Personen als primäre Bediener, um das Gerät während des Fluges fachmännisch zu bedienen.

Es ist nicht vorhersehbar, wer während des Parais krank wird, und ein bestimmter Benutzer kann auf einem Flug nicht betroffen sein und auf einem anderen krank werden. Überprüfen Sie das Rigg nach dem Transport zum Flugort, nehmen Sie alle erforderlichen Korrekturen vor und setzen Sie die Schlauchverbindungen, bevor Sie in das Flugzeug verladen werden. Bereiten Sie an jedem Flugtag Probenfläschchen entsprechend den Demonstrationen des Tages vor und hängen Sie sie ein.

Bereiten Sie sich auf möglicherweise lange Intervalle zwischen Aufbau und Experiment sowie hohe Umgebungstemperaturen je nach Flugort vor. Vermeiden Sie Flugkrankheit, indem Sie bereitgestellte Medikamente wie Scopolamin mit Textamphetamin einnehmen und sich mit mehreren frühen Parabeln an die Schwerkraftübergänge anpassen, indem Sie bei hoher Schwerkraft langsam parallel zum Boden aufsteigen und sich flach hinlegen. Sobald sie sich in der Flugposition befinden, bieten die Bediener der Bohrinsel bei der Annäherung an einen speziellen Parabel-Luftraum genügend Platz, damit sich die Bediener der Bohrinsel während der Intervalle mit hoher Schwerkraft hinlegen und den Zugang zu den Beingurten ermöglichen können, sobald die Parabel beginnt.

Üben Sie bei verminderter Schwerkraft keine starken Kräfte auf den Körper aus. Da dies den Körper zu schnell und etwas gefährlich nach oben schicken kann, um die Probenlader-Demonstration durchzuführen. Wenn das Flugzeug in eine verringerte Schwerkraft eintritt, verwenden Sie die Probenspritze, um einen Tropfen der Zählperlenfarbmischung auf eine Fingerspitze zu geben. Um eine Fingerstichprobe zu simulieren, verwenden Sie ein Kapillarverbrauchsmaterial, um die Probe vom Finger aufzunehmen und in den Kapillarlader zu laden.

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

Aufzeichnung von Videodaten, die mit anderen Messwerten synchronisiert sind. Hier finden Sie aktuelle Aufnahmen einer Demonstration eines Mischpults. Injizieren Sie Luft in den Kochsalzeinlass, um zu testen, ob die Kanalarchitektur eine Blase einfängt, die eine optimale Durchmischung verhindern könnte. Mischen.

Blaue und gelbe Nahrung sterben bei 1,52345 und sechs PSI für jeweils mindestens zwei Parabeln ab. Auch hier sind die aufgezeichneten synchronisierten Daten repräsentative Ergebnisse für zwei Mikromischer-Demonstrationen, wie sie von einer CCD-Kamera betrachtet wurden, die an der Stereomikroskopplatte angebracht war. A zeigt die Vermischung von blauem und gelbem Farbstoff unter Schwerelosigkeit, und Bild B zeigt die Vermischung von Blut und Kochsalzlösung unter den Bedingungen der Mondgravitation.

Die Vermischung kann an jedem Punkt entlang der Spirale sowie im Austrittskanal visuell beurteilt werden, um die optische Blockdetektion von fluoreszenzmarkierten weißen Blutkörperchen während des Fluges in der Schwerelosigkeit zu demonstrieren. Zu den kritischen Leistungsmetriken für die Durchflusszytometriedaten gehören der Variationskoeffizient der Signal-Rausch-Verhältnisse der Spitzenintensitäten, die Spitzenzählraten und die Nachweiseffizienz, wie hier gezeigt. Die Detektion optischer Blöcke scheint durch einen Übergang von etwa 1,5 G zu nahezu null G relativ ungestört zu sein und setzt sich während des Übergangs zurück zu 1,5 g fort.

Die Detektion von fluoreszierenden Zählperlen, die nach der Demonstration des Laders in der Mondgravitation in eine geladene Probe versetzt wurden, zeigt an, dass die Probe erfolgreich geladen wurde und den optischen Block zur Detektion erreicht hat. Nachdem Sie dieses Video gesehen haben, sollten Sie ein besseres Verständnis dafür haben, wie Sie Gerätetests durchführen und die Schwerkraft an Bord eines Parabelflugs reduzieren können, und insbesondere, welche Arten von Verfahren machbar sind, eine sorgfältige Planung, Teileauswahl und Testimplementierung tragen dazu bei, eine hohe Ausbeute aus Ihrer Erfahrung zu gewährleisten.