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

Unsere Technik bringt Biologen und Chemikern mit Hilfe der Mikrofluidik oszillierende Strömungen. Dieses Gerät ist schnell zu montieren, einfach zu bedienen und ist eine Plug-and-Play-Methode zur Erzeugung von High-Fidelity-Oszillatorenflüssen. Das Verfahren wird Giridar Vishwanathan, ein Doktorand aus meinem Labor, demonstrieren.

Klemmen Sie zunächst die Krokodilklemmenden eines Krokodilpaares, um Drähte mit einem acht Zentimeter großen Kegel an die Anschlüsse eines 15-Watt-Lautsprechers zu heften. Platzieren Sie den AUX-Controller-Chip auf einer isolierenden Komponente. Stecken Sie die Stiftenden in die Schraubbuchsen des Aux-Chips.

Ziehen Sie mit einem Schraubendreher an, um die Konnektivität zu gewährleisten. Schließen Sie ein Ende eines AUX-Kabels an den Controller-Chip und das andere Ende an einen Aux-Port an einem Computer an. Schließen Sie einen 12-Volt-Gleichstromadapter an das Netzteil an.

Schalten Sie den Controller-Chip ein, indem Sie das koaxiale Ende des DC-Adapters an die Steckdose anschließen. Navigieren Sie mit einem Internetbrowser zu einer Online-Tongenerator-Website. Geben Sie in der Online-Anwendung die gewünschte Frequenz zwischen 5 und 1200 Hertz ein und scrollen Sie die Lautstärkeleiste auf die gewünschte Menge.

Klicken Sie auf das Wellentypgenerator-Symbol und wählen Sie die gewünschte Wellenform wie Zeichen, Quadrat, Dreieck oder Sägezahn aus. Die Standardeinstellung ist eine Vorzeichenwellenform. Drücken Sie Play, um den Lautsprecher zu betätigen.

Kleben Sie den Lautsprecher und den Controller-Chip auf den 3D-gedruckten Lautsprecherhügel zur Positionierung auf der Mikroskopbühne. Platzieren Sie den 3D-gedruckten Adapter konzentrisch auf der Lautsprechermembran. Silikondichtmittel großzügig entlang der Ränder des Adapters auftragen und zwei Stunden aushärten lassen.

Schneiden Sie eine 200-Mikroliter-Mikropipettenspitze etwa zwei Zentimeter von ihrem schmalen Ende ab und entsorgen Sie die breitere Hälfte der Spitze, wo das schmale konische Ende als Keildichtung für die reversible Befestigung dient. Verbinden Sie den Polyethylenschlauch mit dem Mikrokanalausgang, indem Sie zuerst durch die Mikropipettenspitze und dann durch das koaxiale Ende des Adapters und schließlich durch die Seite hinaus. Keilen Sie das schmale Ende der Pipettenspitze fest in das koaxiale Ende des Adapters, um eine abnehmbare dichte Abdichtung zu schaffen.

Fügen Sie Tracerpartikel in eine Durchstechflasche mit 22% Gewichtsgewicht Glycerinlösung hinzu, um eine neutral schwimmende Suspension mit einem Volumenanteil von 0,01% bis 0,1% Polystyrol in Flüssigkeit bei 20 Grad Celsius zu erzeugen. Kräftig durch Schütteln mischen, um eine homogene Suspension zu erhalten. Laden Sie eine Einlassspritze mit einem Milliliter Probe auf.

Legen Sie die geladene Spritze auf und befestigen Sie sie auf einer automatischen Spritzenpumpe. Führen Sie die Spritzennadel in den Einlassschlauch des Geräts ein, um eine wasserdichte Abdichtung zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass das Auslassrohr durch die Adapterbaugruppe und in einem Behälter verwurzelt ist.

Schalten Sie die Spritzenpumpe ein, wählen Sie über den Touchscreen den Spritzentyp als Becton-Dickinson 1 ml und dann Infuse aus. Wählen Sie dann die gewünschte Durchflussmenge des Durchflussvolumens aus. Initiieren Sie den gleichmäßigen Durchfluss mit der Spritzenpumpe.

Warten Sie, bis der Auslassschlauch bis zum Lautsprecher mit Flüssigkeit gefüllt ist. Wählen Sie eine erforderliche Frequenzamplitude und Wellenform in der Tongeneratoranwendung aus und drücken Sie die Wiedergabetaste, um einen oszillierenden Fluss innerhalb des Mikrokanals zu erzeugen. Montieren Sie das Gerät auf dem Mikroskop.

Richten Sie die optische Konfiguration ein, indem Sie ein Objektiv mit einer Vergrößerung zwischen 10X und 40X auswählen, die Brennebene einstellen und die Bühne positionieren. Um Messungen in einer genau definierten Brennebene zu erhalten, stellen Sie sicher, dass die Schärfentiefe der Objektivlinse um den Faktor fünf oder mehr kleiner ist als die Kanaltiefe. Um den oszillierenden Fluss zu beobachten, verwenden Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildrate von mindestens der doppelten Schwingungsfrequenz.

Für eine sinnvolle Auflösung der Wellenform messen Sie mindestens 10 Punkte pro Zeitraum mit einer 10-mal höheren Bildrate als die Schwingungsfrequenz. Alternativ können Sie zur Beobachtung langfristiger Auswirkungen positiver Flüsse eine stroboskopische Bildgebung durchführen, indem Sie die Beobachtung auf einen beliebigen perfekten Teiler der Schwingungsfrequenz einstellen. Verwenden Sie sowohl für die direkte als auch für die stroboskopische Bildgebung eine Kamera, die mit einem Global Shutter ausgestattet ist, um den Jello-Effekt zu vermeiden.

Halten Sie in beiden Fällen die Belichtungszeit um den Faktor 10 oder mehr erheblich kleiner als die Oszillationszeitspanne, um Streifenbildung zu vermeiden. Um die Schwingungsamplitude ohne Hochgeschwindigkeitskamera zu messen, zeichnen Sie mit einer Bildrate auf, die nahe an der stroboskopischen Bildrate gehalten wird, aber nicht daran, was zu einer stark verlangsamten Schwingung führt, von der aus die Amplitude genau gemessen, beobachtet und die Amplitudenmessungen aufgezeichnet werden kann. Die nachverfolgte Verschiebung von Tracerpartikeln an der Kanalmittelebene zeigte ein harmonisches Signal für die Schwingungsfrequenzen 100, 200, 400 und 800 Hertz.

In einem Diagramm von Schwingungsamplitude versus Frequenz für alle Lautstärkeeinstellungen des Lautsprechers hatte die Kennlinie einen Resonanzgipfel bei etwa 180 Hertz, jenseits dessen die Amplitude mit zunehmender Frequenz abnimmt. Die Wirkung verschiedener Parameter auf die oszillierende Amplitude über den Bereich der Betriebsfrequenzen in Bezug auf den Referenzfall zeigte, dass bei erhöhter Viskosität der Arbeitsflüssigkeit die Amplitude um den Faktor von fast zwei abnimmt. Wenn der mikrofluidische Rohrdurchmesser für das gleiche Material erhöht wird, erhöht sich die Amplitude im Vergleich zum Referenzfall um einen Faktor zwischen 1,5 und 3, abhängig von der Frequenz.

Wenn die Röhrenlänge für das gleiche Material erhöht wird, nimmt die Amplitude in der Nähe der Resonanzfrequenz signifikant zu. Partikelverschiebungsspuren für nicht-sinusförmige Wellenformen zeigten, dass sehr scharfe Positionsänderungen, die mit quadratischen und Sägezahnwellenformen verbunden sind, in realen Systemen nicht möglich sind. Nichtsdestotrotz stimmten die Fourier-Spektren mit den idealen Spektren überein, zumindest bis zur dritten Harmonischen.

Es ist wichtig zu bestätigen, dass das Auslassrohr vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Amplitude maximal und mit der Zeit konstant ist. Es muss auch eine Kamera mit Global Shutter verwendet werden.

Wir haben diese Technik verwendet, um genau zu beobachten und zu messen, wie sich mikrometergroße Partikel verhalten, nachdem sie eine sehr lange Strecke innerhalb eines Mikrokanals zurückgelegt haben. Dies hat es uns ermöglicht, neue mikrofluidische Manipulationstechniken zu implementieren.