Summary
Protokollen demonstrerer en bekvem metode til at producere harmonisk oscillerende strøm fra 10-1000 Hz i mikrokanaler. Dette udføres ved at grænseflade en computerstyret højttalermembran til mikrokanalen på en modulær måde.
Abstract
Mikrofluidisk teknologi er blevet et standardværktøj i kemiske og biologiske laboratorier til både analyse og syntese. Injektionen af flydende prøver, såsom kemiske reagenser og cellekulturer, opnås overvejende gennem stabile strømme, der typisk drives af sprøjtepumper, tyngdekraft eller kapillærkræfter. Anvendelsen af komplementære oscillerende strømme overvejes sjældent i applikationer på trods af dens mange fordele, som det for nylig blev påvist i litteraturen. Den betydelige tekniske hindring for gennemførelsen af oscillerende strømme i mikrokanaler er sandsynligvis ansvarlig for den manglende udbredte vedtagelse heraf. Avancerede kommercielle sprøjtepumper, der kan producere oscillerende flow, er ofte dyrere og fungerer kun for frekvenser mindre end 1 Hz. Her demonstreres samling og drift af et billigt, plug-and-play-type højttalerbaseret apparat, der genererer oscillerende flow i mikrokanaler. High-fidelity harmoniske oscillerende strømme med frekvenser fra 10-1000 Hz kan opnås sammen med uafhængig amplitudekontrol. Amplituder fra 10-600 μm kan opnås gennem hele driftsområdet, herunder amplituder > 1 mm ved resonansfrekvensen i en typisk mikrokanal. Selvom svingningsfrekvensen bestemmes af højttaleren, illustrerer vi, at svingningsamplituden er følsom over for væskeegenskaber og kanalgeometri. Specifikt falder svingningsamplituden med stigende kanalkredsløbslængde og væskeviskositet, og i modsætning hertil øges amplituden med stigende højttalerrørets tykkelse og længde. Derudover kræver apparatet ingen forudgående funktioner, der skal designes på mikrokanalen og er let aftageligt. Det kan bruges samtidigt med en jævn strøm skabt af en sprøjtepumpe til at generere pulserende strømme.
Introduction
Den præcise styring af væskestrømningshastigheden i mikrokanaler er afgørende for lab-on-a-chip-applikationer såsom dråbeproduktion og indkapsling1, blandingaf 2,3 og sortering og manipulation af suspenderede partikler 4,5,6,7. Den overvejende anvendte metode til flowstyring er en sprøjtepumpe, der producerer stærkt kontrollerede stabile strømme, der dispenserer enten et fast volumen væske eller en fast volumetrisk strømningshastighed, ofte begrænset til helt ensrettet strømning. Alternative strategier til fremstilling af ensrettet strømning omfatter anvendelse af gravitationshoved8, kapillærkræfter9 eller elektroosmotisk strømning10. Programmerbare sprøjtepumper giver mulighed for en tidsafhængig tovejsstyring af strømningshastigheder og dispenserede volumener, men er begrænset til responstider på mere end 1 s på grund af sprøjtepumpens mekaniske inerti.
Flowstyring på kortere tidsskalaer låser op for en overflod på 6,11,12,13,14,15 af ellers utilgængelige muligheder på grund af kvalitative ændringer i flowfysikken. Det mest praktiske middel til at udnytte denne varierede flowfysik er gennem akustiske bølger eller oscillerende strømme med tidsperioder fra 10-1- 10-9 s eller 101 -109 Hz. Den højere ende af dette frekvensområde er tilgængelig ved hjælp af bulk akustisk bølge (BAW; 100 kHz-10 MHz) og overflade akustisk bølge (SAW; 10 MHz-1 GHz) enheder. I en typisk BAW-enhed vibrebres hele substratet og væskesøjlen ved at anvende et spændingssignal over en bundet piezoelektrisk. Dette muliggør relativt høje gennemløb, men resulterer også i opvarmning ved højere amplituder. I SAW-enheder svinges den faste-flydende grænseflade imidlertid ved at påføre spænding på et par interdigiterede elektroder mønstret på et piezoelektrisk substrat. På grund af de meget korte bølgelængder (1 μm-100 μm) kan partikler så små som 300 nm manipuleres præcist af den trykbølge, der genereres i SAW-enheder. På trods af evnen til at manipulere små partikler er SAW-metoder begrænset til lokal partikelmanipulation, da bølgen hurtigt dæmpes med afstand fra kilden.
Ved frekvensområdet 1-100 kHz genereres oscillerende strømme normalt ved hjælp af piezo-elementer, der er bundet til en polydimethylsiloxan (PDMS) mikrokanal over et designet hulrum16,17. PDMS-membranen over det mønstrede hulrum opfører sig som en vibrerende membran eller tromle, der presser væsken i kanalen. Ved dette frekvensområde er bølgelængden større end kanalstørrelsen, men svingningshastighedsamplituderne er små. Det mest nyttige fænomen i dette frekvensregime er dannelsen af akustiske/viskøse streamingstrømme, som er korrigerede stabile strømme forårsaget af ikke-linearitet, der er forbundet med strømmen af væsker med inerti18. De stabile streamingstrømme manifesterer sig typisk som højhastigheds modroterende hvirvler i nærheden af forhindringer, skarpe hjørner eller mikrobobler. Disse hvirvler er nyttige til at blande19,20 og adskille partikler på 10 μm fra strømningsstrømmen21.
For frekvenser i området 10-1000 Hz er både hastigheden af den oscillerende komponent og dens tilhørende stabile viskøse streaming betydelig i størrelse og nyttig. Stærke oscillerende strømme i dette frekvensområde kan bruges til inertial fokusering22, lette dråbegenerering23 og kan generere strømningsbetingelser (Womersley-tal), der efterligner blodgennemstrømningen til in vitro-undersøgelser . På den anden side er streamingstrømme nyttige til blanding, partikelfangst og manipulation. Oscillerende strømning i dette frekvensområde kan også opnås ved hjælp af et piezo-element bundet til enheden som beskrevet ovenfor23. En væsentlig hindring for at implementere oscillerende strømme gennem et bundet piezo-element er, at det kræver, at funktioner skal designes på forhånd. Desuden er de bundne højttalerelementer ikke aftagelige, og et nyt element skal limes til hver enhed24. Sådanne enheder udgør imidlertid fordelen ved at være kompakte. En alternativ metode er at bruge en elektromekanisk relæventil20. Disse ventiler kræver pneumatiske trykkilder og brugerdefineret styringssoftware til drift og øger derfor den tekniske barriere for test og implementering. Ikke desto mindre muliggør sådanne anordninger anvendelse af indstillet trykamplitude og frekvens.
I denne artikel beskrives konstruktion, drift og karakterisering af en brugervenlig metode til generering af oscillerende strømme i frekvensområdet 10-1000 Hz i mikrokanaler. Metoden giver mange fordele såsom omkostningseffektiv montering, brugervenlighed og klar til grænseflade med standard mikrofluidiske kanaler og tilbehør såsom sprøjtepumper og slanger. Sammenlignet med tidligere lignende tilgange25 tilbyder metoden desuden brugeren selektiv og uafhængig kontrol af svingningsfrekvenser og amplituder, herunder modulering mellem sinusformede og ikke-sinusformede bølgeformer. Disse funktioner giver brugerne mulighed for nemt at implementere oscillerende strømme og dermed lette udbredt vedtagelse i en bred vifte af eksisterende mikrofluidiske teknologier og applikationer inden for biologi og kemi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Hurtig prototype form design og fabrikation
- Åbn AutoCAD på en pc. Vælg Filer på proceslinjen, vælg derefter Åbn og gennemse til og klik på en tredimensionel (3D) modelfil af kanalformen, der har .dxf eller .dwg udvidelse.
- Vælg hele modellen ved at klikke og trække et felt rundt om den. Eksportér designet som en .stl-fil ved at vælge Filer | Eksporter, derefter Andre formater og vælg .stl i rullemenuen.
- Upload filen til en SLA-printer (High Precision Resin Stereolithographic), f.eks. Formlabs FORM3. Hæld harpiksen i harpikskammeret, og start udskrivningen, og fremstil formen med de mindste z-aksetrin (25 mikron for Formlabs CLEAR-harpiks).
- Vent på, at den automatiske deludskrivning er afsluttet.
BEMÆRK: Forme med funktioner så små som 0,1 mm kan fremstilles på denne måde. - Efter fjernelse af delen fra harpiksen omrøres den i isopropanol i 5 minutter for at fjerne eventuel resterende harpiks.
- Tør formen med luft eller nitrogengas i 2 min.
BEMÆRK: Konventionelle mikrofluidiske formfabrikationer med siliciumskiver og fotolitografi med enhver SU8- eller KMPR-fotoresists kan også bruges til at fremstille en form med mindre funktioner. - Den tørrede form hærdes ved 60 °C i UV-lys i højst 1 time.
2. PDMS mikrokanal fabrikation
- Læg formen på et ark aluminiumsfolie. For at lette delamineringen af PDMS skal du sprøjte belægge formen med silikoneformfrigivelse i 1 eller 2 passager.
- Hæld PDMS-harpiks og tværbinding i en engangskop i forholdet 10:1 efter vægt og bland med en engangsske.
- Hæld den resulterende blanding på formen for at producere en film af den krævede tykkelse. For at forhindre deformation af store kanalvægge skal PDMS-tykkelsen opretholdes på mere end 5 mm eller 3-4 gange den maksimale funktionstykkelse.
- Anbring formen med hældt PDMS i afgaskammeret og luk låget. Sørg for, at O-ringen hermetisk forsegler kammeret.
- Luk udstødningsventilen, og tænd for vakuumpumpen for at starte afgasning.
- Afgas den hældte blanding i en vakuumpumpe i over 4-6 cyklusser, hvor hver cyklus varer ca. 5 minutter. Fjern manuelt eventuelle resterende bobler (i hjørner og skyttegrave) ved hjælp af en fin ledning.
- Indstil ovnens temperatur til 80 °C, og lad den forvarme. Anbring blandingen i ovnen ved 80 °C i 2 timer for at hærde.
- Fjern den hærdede form fra ovnen og lad den stå ved stuetemperatur i 10 minutter for at afkøle.
- Brug en skalpel til forsigtigt at skære formens kanter ud. For optimal delaminering skal du bruge en sprøjte til at injicere isopropanol mellem formen og den hærdede PDMS.
- Skræl den hærdede PDMS af formen og skær den i individuelle enheder med et barberblad. Størrelsen på hver enhed skal variere mellem 10 mm x 10 mm og 30 mm x 70 mm for at blive bundet med glasglasset.
- Lav et hul med en diameter på 1,0-3,0 mm ved indløb og udløb ved hjælp af en biopsistans.
- Tænd for den håndholdte radiofrekvensplasmagenerator (RF). For at aktivere glasglideren skal du støt føre trådelektroden over et rent tørt glasglas flere gange i 2 minutter. Oprethold et tråd til glasgab på ca. 5 mm. Anbring enhedens side af det hærdede PDMS i kontakt med den aktiverede glasrutsjebane, og anbring den derefter i en ovn på 80 °C i 2 timer.
- Skær polyethylenindløbs- og udløbsrør til den krævede længde og indsæt dem i indløbs- og udløbshullerne.
- For at forhindre rørløsning under drift skal du påføre silikoneforseglingsmiddel på kontaktfladen og lade hærde i 2 timer for at fastgøre slangen.
3. Oscillerende driver samling
- Fastgør alligatorklemmenderne af et par alligator-til-pin-ledninger til terminalerne på en højttaler. Her blev der brugt en 15 W højttaler med en 8 cm kegle, selvom andre højttalere også kan bruges.
- Anbring aux-controllerchippen på en isolerende beholder. Indsæt stiftenderne i skruestikkene på aux-controllerchippen, og stram dem fast med en skruetrækker for at sikre tilslutning.
- Tilslut den ene ende af et aux-kabel til controllerchippen og den anden ende til en aux-port på en computer eller smartphone.
- Tilslut en 12 V jævnstrømsadapter (DC) til strømforsyningen. Tænd for controllerchippen ved at slutte DC-adapterens koaksiale ende til stikkontakten.
- Brug en internetbrowser til at navigere til et online tonegeneratorwebsted (f.eks. https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Indtast den ønskede frekvens (5-1200 Hz) i online-applikationen. Rul lydstyrkebjælken til den ønskede mængde (f.eks. 100%).
- Klik på symbolet Wave-Type Generator og vælg den ønskede bølgeform (sinus, firkant, trekant, savtand). Bemærk, at standarden er en sinusbølgeform. Tryk på Afspil for at aktivere højttaleren.
4. Adapter samling
BEMÆRK: Den komplette højttaler-til-rør-adapterenhed er illustreret med skemaet i figur 1.
- Fastgør højttaleren (figur 1(I)) på det 3D-printede højttalerbeslag (figur 1(II)) (se speakermount.stl i Supplerende fil 1) ved at sætte et bånd over den buede overflade og på hver side af holderen.
- Orienter højttaleren lodret med højttalerkegleoverfladen vendt mod op. Placer den 3D-printede adapter (figur 1(III)) (se speakertubeadapter.stl i Supplerende fil 2) koncentrisk på højttalerkeglen.
- Påfør silikoneforseglingsmiddel generøst langs adapterens kanter og lad hærde i 2 timer.
- Placer højttaler- og højttalerholderen på mikroskoptrinnet og tape ned for at forhindre bevægelse under drift.
- Skær en mikropipettespids på 200 μL ca. 2 cm fra den smalle ende, og bortskaf den bredere halvdel af spidsen. Den smalle koniske ende vil fungere som en kileforsegling til reversibel fastgørelse.
- Tilslut polyethylenslangen (figur 1(V)) til mikrokanaludløbet (figur 1(VI)) ved først at gevind gennem mikropipettespidsen (figur 1(IV)) og derefter gennem adapterens koaksiale ende og til sidst ud gennem siden.
- Kil den smalle ende af pipettespidsen godt ind i adapterens koaksiale ende for at skabe en aftagelig tætning.
5. Drift af forsøgsopstillingen for oscillerende strømme i mikrokanaler
- Der tilsættes sporstofpartikler i et hætteglas med 22 % vægt/vægt (w/w) glycerolopløsning for at fremstille en neutralt flydende suspension med en volumenfraktion på 0,01-0,1 % polystyren i væske ved 20 °C. Bland kraftigt ved at ryste for at producere en homogen suspension.
- Læg en 1 ml indløbssprøjte med 1 ml prøve. Monter og fastgør den fyldte sprøjte på en automatisk sprøjtepumpe. Indsæt sprøjtenålen i enhedens indløbsrør for at skabe en vandtæt tætning.
- Sørg for, at udløbsrøret føres gennem adapterenheden og ind i en beholder (se forrige afsnit om adaptersamling).
- Tænd sprøjtepumpen. Brug den berøringsfølsomme skærm til at vælge sprøjtetypen som Becton-Dickinson 1 ml. Vælg derefter Infuse. Vælg derefter den ønskede strømningshastighed (0-1 ml/min) eller flowvolumen (< 1 ml).
- Start den stabile strøm ved hjælp af sprøjtepumpen. Vent, indtil der er strømmet tilstrækkeligt volumen væske, og udløbsrøret er fyldt med væske op til højttaleren.
BEMÆRK: Den oscillerende amplitude for en given indstilling varierer ikke med konstant transportstrøm, hvis udløbsrøret er grundet. - Vælg en påkrævet frekvens, amplitude og bølgeform i tonegeneratorprogrammet som beskrevet i trin 3.5, og tryk på Afspil for at generere oscillerende flow inde i mikrokanalen.
6. Observation og amplitudemåling
- Monter enheden på mikroskopet. Konfigurer den optiske konfiguration ved at vælge et objektivobjektiv med en forstørrelse mellem 10x og 40x, der justerer brændplanet og placerer scenen.
- For at opnå målinger i et veldefineret brændplan skal du sikre dig, at objektivlinsens dybdeskarphed er mindre end kanaldybden med en faktor 5 eller mere.
- For at observere det oscillerende flow skal du bruge et højhastighedskamera med en billedhastighed på mindst det dobbelte af svingningsfrekvensen som beregnet ved hjælp af Nyquist-samplingssætningen. For en praktisk nyttig opløsning af bølgeformen måles mindst 10 point pr. Tidsperiode ved hjælp af en framerate, der er > 10 gange svingningsfrekvensens.
- Alternativt, for kun at observere de korrigerede eller langvarige virkninger af pulserende strømme, skal du udføre stroboskopisk billeddannelse ved at indstille observationsfrekvensen til en hvilken som helst perfekt divisor af svingningsfrekvensen.
- Til både direkte og stroboskopisk billeddannelse skal du bruge et kamera udstyret med en global lukker for at undgå jello-effekten. I begge tilfælde skal eksponeringstiden holdes betydeligt mindre end svingningstiden (med en faktor 10 eller mere) for at forhindre striber.
- For at måle svingningsamplituden uden et højhastighedskamera skal du optage med en billedhastighed, der opretholdes tæt på, men ikke lig med den stroboskopiske billedhastighed (f.eks. 49 billeder / s for et 50 Hz-signal). Dette resulterer i en meget langsommere svingning, hvorfra amplituden kan måles nøjagtigt.
- Overhold og optag amplitudemålingerne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For at illustrere kapaciteten og ydeevnen af ovenstående opsætning præsenteres repræsentative resultater af oscillerende flow i en simpel lineær mikrokanal med et firkantet tværsnit. Kanalens bredde og højde er 110 μm og dens længde er 5 cm. Først beskriver vi bevægelsen af sfæriske polystyrensporstofpartikler, og hvordan disse kan bruges til at kontrollere troskaben af det oscillerende signal samt det opnåelige interval af svingningsamplituder. Vi diskuterer derefter effekten af specifikke væskeegenskaber eller mikrofluidiske materialer på oscillationsamplitude. Endelig illustrerer vi evnen til ikke-sinusformede bølgeformer.
Til sammenligning definerer vi referencesagen ved hjælp af følgende væskeegenskaber, kanalgeometri og mikrofluidiske materialer. Arbejdsvæsken er deioniseret vand (μ = 1,00 mPa.s) med 0,01% volumenfraktion af sporstofpartikler, der har diameter, d = 1 μm og densitet, ρ = 1,20 kg/m3. Den tilsvarende partikelresponstid, givet ved ρd2/18μ, er 70 ns, hvilket er langt mindre end de tilsvarende oscillerende tidsskalaer (1-100 ms). Partiklerne observeres ved kanalens mellemhøjde med et 10x mål og en fokusdybde på 10 μm. Det mikrofluidiske rør har diametre 1,27 mm x 0,76 mm (ydre x indre) og en udløbsrørslængde på 12 cm, der holdes 5 cm over kanalniveauet.
De sporede forskydninger af sporstofpartikler ved kanalens midterplan for forskellige svingningsfrekvenser er vist i figur 2. Et harmonisk signal observeres for alle de viste svingningsfrekvenser, som er 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz og 800 Hz. Billedbilledhastigheden var større end eller lig med 20 gange svingningsfrekvensen. Amplitudeindstillingen (højttalervolumen) blev opretholdt konstant på tværs af de forskellige svingningsfrekvenser. For frekvenserne 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz og 800 Hz er de tilsvarende amplituder henholdsvis ca. 125 μm, 100 μm, 25 μm og 10 μm.
Den sporede forskydning af partikler bruges også til at bestemme nøjagtigheden af den harmoniske bevægelse og området for svingningsamplituder, et kritisk trin i kalibreringsprocessen. Troskaben af den harmoniske forskydning af partikler ved forskellige svingningsfrekvenser og amplituder er illustreret ved hjælp af Fourier-spektrene og vist i figur 3A. For frekvenser på henholdsvis 50 Hz, 200 Hz og 400 Hz overvejes tre forskellige amplituder, der er kendetegnet ved den potentielle forskel i aux-kablet (eller forstærkerindgangsspændingen). Indstillingerne hedder lav (30%, 1,5 V, gul), mellemliggende (60%, 3 V, orange) og høj (90%, 4,5 V, rød). Her repræsenterer procentdelen størrelsen af lydstyrkeindstillingen med hensyn til den maksimale højttalervolumen eller tilsvarende spænding på 5 V. Fourier-spektrene af partikelforskydning ved svingningsfrekvenser på 50 Hz, 200 Hz og 800 Hz er vist i figur 3A for tre forskellige forstærkerindgangsspændinger (1,5 V, 3 V, 4,5 V) svarende til henholdsvis gule, orange og røde farver. Den primære top af spektret svarer nøjagtigt til den anvendte frekvens for alle lydstyrkeindstillinger. Den primære top er > 10 gange de sekundære toppe, selv ved den højeste amplitude.
For en forstærkerindgangsspænding på 5 V har amplituden af højttalerkegleforskydningen en maksimal værdi på 5 mm og forbliver en konstant for frekvenser op til 50 Hz og falder derefter ca. kvadratisk for frekvenser over 50 Hz (f.eks. 1,5 mm ved 100 Hz). Partikeloscillationsamplituden i væsken er proportional med den effekt, der transduceres givet af produktet af højttalerkegleamplituden og svingningsfrekvensen. Vi forventer derfor, at den oscillerende amplitude er maksimal nær højttalerresonansfrekvensen og falder for frekvenser på hver side af den for en fast forstærkerindgangsspænding. Desuden kan vi også forvente, at væskens oscillerende amplitude varierer lineært med forstærkerens indgangsspænding, og dens værdi kan ikke overstige højttalerkegleamplituden.
Disse forventninger bekræftes i et plot af svingningsamplitude versus frekvens vist i figur 3B. For alle højttalervolumenindstillinger har den karakteristiske kurve en resonanttop, der forekommer ved ca. 180 Hz, ud over hvilken amplituden falder med stigende frekvens. Kurverne ved forskellige spændinger forekommer identiske bortset fra lodrette oversættelser i logskala, hvilket indebærer, at den oscillerende amplitude varierer lineært med spændingen. Endelig er den maksimale amplitude mindre end 1,5 mm selv ved resonansfrekvensen på 5 V. Ikke desto mindre kan der vælges en volumenindstilling, således at der kan opnås svingningsamplituder på > 100 μm over hele driftsfrekvensområdet.
Dernæst præsenteres udvalgte eksempler på virkningen af væskeviskositeten, rørdiameteren og rørlængden på den oscillerende amplitude over området for driftsfrekvenser i forhold til referencetilfældet beskrevet ovenfor. For disse eksperimenter opretholdes driveramplituden (højttalervolumen) konstant på mellemniveau, og kun en opsætningsparameter ændres ad gangen, mens de resterende parametre er identiske med referencekontrolhuset (diamantsymboler). De tilsvarende resultater for svingningsamplitude versus frekvens er vist i figur 4. Når viskositeten af arbejdsvæsken øges ved at skifte til en 25% glycerolopløsning (μ = 1,81 mPa.s), falder amplituden med en faktor på næsten 2 over driftsområdet (firkantede symboler). Dette tyder på, at en forøgelse af væskeviskositeten generelt sammenlignet med deioniseret vand ville resultere i en lignende karakteristisk amplitude versus frekvenskurve med et konstant faktorfald i amplituden. Når den mikrofluidiske slangediameter for det samme materiale (polyethylen) øges til 2,41 mm x 1,67 mm, øges amplituden i forhold til referencehuset med en faktor mellem 1,5-3 afhængigt af frekvensen (cirkelsymboler). Stigningen er større ved høje frekvenser og mindre ved lave frekvenser, hvilket indikerer, at resonansfrekvensen er steget. Når rørlængden for det samme materiale (polyethylen) øges til 24 cm (med en faktor 2), øges amplituden betydeligt nær resonansfrekvensen, men forbliver uændret fra referencekontrolhuset ved meget lave og meget høje frekvenser (trekantsymboler).
Ud over de sinusformede bølgeformer, der er diskuteret ovenfor, er ikke-sinusformede bølgeformer også demonstreret. Partikelforskydningsspor for kvadrat-, trekant- og savtandbølgeformer er vist i figur 5A. Her er amplitudeindstillingen mellemliggende (60% af maksimum), kørefrekvensen er 100 Hz, og partikler observeres ved 4000 billeder / s. Som forventet er meget skarpe ændringer i position forbundet med kvadrat- og savtandbølgeformer ikke mulige i virkelige systemer med en begrænset responstid. For dette højttalersystem kan responstiden anslås til at være 0,5 ms. Ikke desto mindre observeres Fourier-spektrene af disse bølgeformer at være i god overensstemmelse med de ideelle spektre, i det mindste op til den tredje harmoniske som vist i figur 5B.
Figur 1. Et skema til at illustrere apparatets design og samling. De kritiske komponenter er (I) højttaler, (II) højttalermontering, (III) højttaler-til-rør-adapter, (IV) pipette-tip kiletætning, (V) polyethylenrør og (VI) PDMS-mikrokanal. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2. Eksempler på partikelforskydning under oscillerende strømning. Repræsentative partikelspor under sinusformet bølgeformindgang ved forskellige frekvenser blev opnået ved hjælp af højhastighedsbilleddannelse. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3. Analyse af partikelforskydning for signalfidelitet og amplitudeområde. (A) Fourier-spektrumanalyse af sinusformede svingninger ved forskellige svingningsfrekvenser og amplituder eller højttalervolumener. (B) Den karakteristiske kurve for svingningsamplituden versus frekvensen ved tre forskellige højttalerlydstyrkeindstillinger. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4. Virkninger af rørlængde, rørdiameter og flydende viskositet på oscillerende amplitude. Sammenlignet med referencetilfældet vil en stigning i rørlængden eller rørdiameteren føre til en stigning i svingningsamplituden over rækkevidden af driftsfrekvenser. En stigning i viskositeten reducerer imidlertid svingningsamplituden. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5. Eksempler på ikke-sinusformede bølgeformer. (A) Partikelforskydninger for kvadratiske, trekantede og savtandsbølgeformer ved en svingningsfrekvens på 100 Hz. (B) De tilsvarende Fourier-spektre for ikke-sinusformede partikelforskydninger. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende sagsmappe 1. Stereolitografifil til fremstilling af en 3D-trykt højttalermontering, der henvises til i figur 1 (II). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sagsmappe 2. Stereolitografifil til fremstilling af en 3D-trykt højttalerrøradapter, der henvises til i figur 1 (III). Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har demonstreret samlingen (se protokolkritiske trin 3 og 4) og drift (se protokolkritiske trin 5 og 6) af et eksternt højttalerbaseret apparat til generering af oscillerende flow med frekvenser i området 10 til 1000 Hz i mikrofluidiske enheder. Partikelsporing af suspenderede sporstofpartikler er nødvendig for at bestemme troskaben af den harmoniske bevægelse samt for at kalibrere rækkevidden af svingningsamplituder, der kan opnås over driftsfrekvensområdet. Amplitudefrekvenskurven for en given lydstyrkeindstilling afhænger primært af højttalerens egenskaber, som ikke kan ændres (se diskussion af højttaleregenskaber i repræsentative resultater for figur 3A,B). For et bestemt kanaldesign kan den oscillerende amplitude imidlertid modificeres og indstilles ved passende at ændre slangeegenskaberne, væskeviskositeten eller kombinationerne heraf. For eksempel viser vi i figur 4, at en større rørdiameter eller længere rørlængde kan øge størrelsen af den oscillerende amplitude for den samme volumenindstilling. Øget viskositet reducerer imidlertid rækkevidden af oscillerende amplituder, hvilket giver brugerne en række amplituder, der strækker sig fra 10 μm til 1 mm.
Den væsentlige fordel ved denne metode er dens lette montering, implementering og drift. Hele prisen på den oscillerende driver er mindre end $ 60, og dens samling tager kun ca. 2 timer, når delene er købt (se Materialetabel). I modsætning til alternative metoder til generering af oscillerende flow i mikrofluidiske enheder25 pålægger denne metode stort set ingen designbegrænsninger og sikrer minimal leveringstid til implementering. På trods af sin enkelhed giver vores metode brugeren overraskende præcis kontrol over svingningsamplituder, samtidig med at troskaben af både sinusformede og ikke-sinusformede oscillerende bølgeformer opretholdes. Teknikken genererer også harmonisk bevægelse over et frekvensområde på to størrelsesordener. Endelig kan denne teknik anvendes sammen med en steady flow-komponent genereret af standard mikrofluidiske flowregulatorer, såsom sprøjtepumper eller trykgeneratorer, for at generere en højfrekvent pulsatile strøm. Som tidligere påvist 22,28 påvirkes den oscillerende amplitude og frekvens ikke af tilstedeværelsen af en jævn transportstrøm, når den stabile strømningshastighed er lille sammenlignet med den oscillerende strømningshastighed. Denne metode er derfor ideel til en forskningslaboratorieindstilling.
En tilsvarende begrænsning af metoden er, at amplituden ikke kan indstilles til den ønskede værdi. Den skal måles og kalibreres til amplituden for en given mikrofluidisk kanal. Det er i øjeblikket ikke skalerbart og dermed ikke umiddelbart egnet til industrielle applikationer. Yderligere udvikling af dette apparat ville indebære design af en simpel membran, der kan bindes til og aktiveres af højttaleren for at tillade større amplituder og minimere afhængigheden af slangen og den mikrofluidiske kanal.
Samlet set giver dette arbejde en billig, robust og tilpasselig tilgang til generering af oscillerende strømme i mikrofluidiske kanaler i et relativt uudforsket frekvensområde. Denne teknik har vist sig at være nyttig til mikrorheologien af newtonske26 og ikke-newtonske27 væsker, forbedret blanding på mikroskala28 og inertifokus i kanaler med reduceret længde22. Den tilgang, der er skitseret i dette arbejde, giver en tilgængelig og tilpasningsdygtig metode til at generere rent oscillerende strømme eller pulserende strømme, når de kombineres med en jævn strøm fra en sprøjtepumpe. Som følge heraf kan denne bekvemme teknik muliggøre implementering af oscillerende strømme i eksisterende forskning og industri på mikroskala.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Vi vil gerne anerkende den støtte, der er givet, og faciliteter, der ydes af Institut for Mekanisk Videnskab og Engineering Rapid Prototyping Lab ved University of Illinois for at muliggøre dette arbejde.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Oscillatory Driver Assembly | |||
| Alligator-to-pin wire | Adafruit | 3255 | Small alligator clip to male jumper wire (12) |
| Aux cable | Adafruit | 2698 | 3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m |
| Controller chip | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX) |
| DC adapter | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A regulated switching power adapter |
| Micro-pipette tip | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette tip |
| Silicone sealant | Loctite | 908570 | Clear silicone waterproof sealant (80 ml) |
| Speaker | Drok | 6843996 | 4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker |
| Speaker mount | 3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files | ||
| Speaker-to-tube adapter | 3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files | ||
| Microchannel Manufacture | |||
| Biopsy punch | Miltex | 15110 | Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm) |
| Degasser | |||
| Disposable cup | |||
| Disposable spoon | |||
| Glass Slides | VWR Signature | 16004-430 | 3" x 1" pre clean 1 mm thick |
| Mold | Si - SU-8 or 3D printed | ||
| Oven | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS resin and cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g) |
| Polyethylene tubing | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200) |
| Razor blades | VWR | 55411-050 | Single edge industrial razor blades |
| RF plasma generator | Electro-Technic Products | BD - 20 | High frequency generator |
| Silicone Mold Release | CRC | 03301 | Food Grade Silicon Mold release (16 oz) |
| Observation and Characterization | |||
| Camera | Edgertronic | SC2+ | |
| Lens | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| Microscope | Nikon | Ti Eclipse manual stage | |
| Needles | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| Syringe | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | Dual syringe programmable syringe pump | |
| Tracer Particles | Spherotech | PP-10-10 | Polystyrene tracer particles 1 um |
References
- Collins, J., Lee, A. P. Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates. Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).
- Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M.
- Bayareh, M., Ashani, M. N., Usefian, A. Active and passive micromixers: A comprehensive review. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 147, 10771 (2020).
- Zhang, S., Wang, Y., Onck, P., den Toonder, J. A concise review of microfluidic particle manipulation methods. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 24 (2020).
- Bayareh, M. An updated review on particle separation in passive microfluidic devices. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 153, 107984 (2020).
- Wu, M., et al. Acoustofluidic separation of cells and particles. Microsystems & Nanoengineering. 5, 32 (2019).
- Bhagat, A. A. S., et al.
- Mäki, A. J., et al. Modeling and Experimental Characterization of Pressure Drop in Gravity-Driven Microfluidic Systems. ASME Journal of Fluids Engineering. 137 (2), 021105 (2015).
- Safavieh, R., Juncker, D. Capillarics: pre-programmed, self-powered microfluidic circuits built from capillary elements. Lab on a Chip. 13, 4180-4189 (2013).
- Hossan, M. R., Dutta, D., Islam, N., Dutta, P. Review: Electric field driven pumping in microfluidic device. Electrophoresis. 39 (5-6), 702-731 (2018).
- Dincau, B., Dressaire, E., Sauret, A.
- Thurgood, P., et al. Tunable Harmonic Flow Patterns in Microfluidic Systems through Simple Tube Oscillation. Small. 16 (43), 2003612 (2020).
- Xia, H. M., Wu, J. W., Zheng, J. J., Zhang, J., Wang, Z. P. Nonlinear microfluidics: device physics, functions, and applications. Lab on a Chip. 21, 1241-1268 (2021).
- Glasgow, I., Aubry, N. Enhancement of microfluidic mixing using time pulsing. Lab on a Chip. 3 (2), 114-120 (2003).
- Zhang, P., Bachman, H., Ozcelik, A., Huang, T. J.
- Lieu, V. H., House, T. A., Schwartz, D. T. Hydrodynamic Tweezers: Impact of Design Geometry on Flow and Microparticle Trapping. Analytical Chemistry. 84 (4), 1963-1968 (2012).
- Jain, R., Darling, R. B., Lutz, B. Frequency characterization of flow magnitude and phase in resonant microfluidic circuits. Analytical Methods. 9, 5425-5432 (2017).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77, 977 (2005).
- Zhang, C., Guo, X., Brunet, P., Costalonga, M., Royon, L. Acoustic streaming near a sharp structure and its mixing performance characterization. Microfluidics and Nanofluidics. 23 (9), 104 (2019).
- Abolhasani, M., Oskooei, A., Klinkova, A., Kumacheva, E., Günther, A. Shaken, and stirred: oscillatory segmented flow for controlled size-evolution of colloidal nanomaterials. Lab on a Chip. 14, 2309-2318 (2014).
- Thameem, R., Rallabandi, B., Hilgenfeldt, S. Fast inertial particle manipulation in oscillating flows. Physical Review Fluids. 2 (5), 052001 (2017).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Inertial focusing in planar pulsatile flows. Journal of Fluid Mechanics. 921, 1 (2021).
- Geschiere, S. D., et al. Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems. Biomicrofluidics. 6, 022007 (2012).
- Vázquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poiré, E. C., Caballero-Robledo, G. A.
- Sauret, A., Shum, H. C. Forced generation of simple and double emulsions in all-aqueous systems. Applied Physics Letters. 100, 154106 (2012).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming viscometry of Newtonian liquids in microfluidic devices. Physics of Fluids. 31, 041701 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming flows in viscoelastic liquids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 271, 104143 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 69 (2020).
