Montaje y caracterización de un driver externo para la generación de flujo oscilatorio sub-kilohercios en microcanales

Nuestra técnica lleva flujos oscilatorios a biólogos y químicos utilizando microfluídica. Este dispositivo es rápido de montar, fácil de usar y es un método plug and play para producir flujos oscilatorios de alta fidelidad. Demostrando el procedimiento estará Giridar Vishwanathan, un estudiante de doctorado de mi laboratorio.

Para comenzar, sujete los extremos del clip de cocodrilo de un par de caimanes para fijar cables a los terminales de un altavoz de 15 vatios con un cono de ocho centímetros. Coloque el chip controlador auxiliar sobre un componente aislante. Inserte los extremos del pasador en los zócalos de tornillo del chip auxiliar.

Apriete con un destornillador para garantizar la conectividad. Conecte un extremo de un cable auxiliar al chip controlador y el otro extremo a un puerto auxiliar en una computadora. Conecte un adaptador de corriente continua de 12 voltios a la fuente de alimentación.

Encienda el chip controlador conectando el extremo coaxial del adaptador de CC a la toma de corriente. Usando un navegador de Internet, navegue a un sitio web generador de tonos en línea. Escriba la frecuencia deseada entre 5 y 1200 Hertz en la aplicación en línea y desplácese por la barra de volumen hasta la cantidad requerida.

Haga clic en el símbolo del generador de tipo de onda y seleccione la forma de onda deseada como signo, cuadrado, triángulo o diente de sierra. La configuración predeterminada es un formulario de onda de signo. Pulse Reproducir para accionar el altavoz.

Pegue el altavoz y el chip del controlador en el montículo de altavoces impreso en 3D para colocarlos en el escenario del microscopio. Coloque el adaptador impreso en 3D concéntricamente en el cono del altavoz. Aplique el sellador de silicona generosamente a lo largo de los bordes del adaptador y deje curar durante dos horas.

Corte una punta de micropipeta de 200 microlitros aproximadamente a dos centímetros de su extremo estrecho y deseche la mitad más ancha de la punta donde el extremo cónico estrecho servirá como un sello de cuña para la fijación reversible. Conecte el tubo de polietileno a la salida del microcanal primero roscando a través de la punta de la micropipeta, y luego a través del extremo coaxial de los adaptadores y, finalmente, saliendo por el lateral. Cuña firmemente el extremo estrecho de la punta de la pipeta en el extremo coaxial de los adaptadores para crear un sello hermético desmontable.

Agregue partículas trazadoras en un vial de solución de glicerol al 22% en peso para producir una suspensión neutramente flotante con una fracción de volumen de 0.01% a 0.1% de poliestireno en líquido a 20 grados Celsius. Mezclar vigorosamente agitando para producir una suspensión homogénea. Cargue una jeringa de entrada de un mililitro con un mililitro de muestra.

Monta y sujeta la jeringa cargada en una bomba de jeringa automática. Inserte la aguja de la jeringa en el tubo de entrada del dispositivo para crear un sello estanco al agua. Asegúrese de que el tubo de salida esté enraizado a través del conjunto del adaptador y en un depósito.

Encienda la bomba de jeringa, con la pantalla táctil, seleccione el tipo de jeringa como Becton-Dickinson 1 mL y, a continuación, seleccione Infundir. A continuación, seleccione el caudal requerido del volumen de flujo. Inicie el flujo constante utilizando la bomba de jeringa.

Espere hasta que el tubo de salida se llene de líquido hasta el altavoz. Seleccione una amplitud de frecuencia requerida y una forma de onda en la aplicación generador de tonos, y presione Reproducir para generar flujo oscilatorio dentro del microcanal. Monte el dispositivo en el microscopio.

Configure la configuración óptica seleccionando una lente objetivo con un aumento entre 10X y 40X, y ajustando el plano focal y posicionando el escenario. Para obtener mediciones en un plano focal bien definido, asegúrese de que la profundidad de campo de la lente del objetivo sea menor que la profundidad del canal por un factor de cinco o más. Para observar el flujo oscilatorio, use una cámara de alta velocidad con una velocidad de fotogramas de al menos el doble de la frecuencia de oscilación.

Para una resolución útil de la forma de onda, mida al menos 10 puntos por período de tiempo con una velocidad de fotogramas 10 veces mayor que la frecuencia de oscilación. Alternativamente, para observar los efectos a largo plazo de los flujos positivos, realice imágenes estroboscópicas ajustando la observación a cualquier divisor perfecto de la frecuencia de oscilación. Para imágenes directas y estroboscópicas, utilice una cámara equipada con un obturador global para evitar el efecto gelatina.

En cualquier caso, mantenga el tiempo de exposición considerablemente más pequeño que el período de tiempo de oscilación en un factor de 10 o más para evitar rayas. Para medir la amplitud de oscilación sin una cámara de alta velocidad, grabe a una velocidad de fotogramas mantenida cerca pero no de la velocidad de fotogramas estroboscópica, lo que da como resultado una oscilación muy ralentizada a partir de la cual la amplitud se puede medir, observar y registrar con precisión las mediciones de amplitud. El desplazamiento rastreado de las partículas trazadoras en el plano medio del canal mostró una señal armónica para las frecuencias de oscilación 100, 200, 400 y 800 Hertz.

En una gráfica de amplitud de oscilación versus frecuencia para todos los ajustes de volumen del altavoz, la curva característica tenía un pico resonante de alrededor de 180 Hertz más allá del cual la amplitud disminuye con el aumento de la frecuencia. El efecto de diferentes parámetros sobre la amplitud oscilatoria sobre el rango de frecuencias operativas con respecto al caso de referencia, mostró que cuando se aumenta la viscosidad del líquido de trabajo, la amplitud disminuye en un factor de casi dos. Cuando se aumenta el diámetro de la tubería microfluídica para el mismo material, la amplitud aumenta en comparación con el caso de referencia en un factor entre 1,5 a 3 dependiendo de la frecuencia.

Cuando se aumenta la longitud del tubo para el mismo material, la amplitud aumenta significativamente cerca de la frecuencia de resonancia. Las pistas de desplazamiento de partículas para formas de onda no sinusoidales mostraron que los cambios muy bruscos en la posición asociados con las formas de onda cuadradas y de diente de sierra no son posibles en sistemas reales. Sin embargo, los espectros de Fourier estaban en buen acuerdo con los espectros ideales, al menos hasta el tercer armónico.

Es importante confirmar que el tubo de salida esté completamente lleno de líquido. Esto asegura que la amplitud sea máxima y que sea constante con el tiempo. También se debe utilizar una cámara con un obturador global.

Hemos utilizado esta técnica para observar y medir con precisión cómo se comportan las partículas del tamaño de micras después de que viajan una distancia muy larga dentro de un microcanal. Esto nos ha permitido implementar nuevas técnicas de manipulación microfluídica.