Assemblage et caractérisation d’un pilote externe pour la génération d’un flux oscillatoire submillétz dans des microcanaux

Notre technique apporte des écoulements oscillatoires aux biologistes et aux chimistes en utilisant la microfluidique. Cet appareil est rapide à assembler, facile à utiliser et constitue une méthode plug and play pour produire des flux oscillatoires haute fidélité. La démonstration de la procédure sera faite par Giridar Vishwanathan, un doctorant de mon laboratoire.

Pour commencer, serrez les extrémités du clip alligator d’une paire d’alligator pour épingler des fils aux bornes d’un haut-parleur de 15 watts avec un cône de huit centimètres. Placez la puce du contrôleur auxiliaire sur un composant isolant. Insérez les extrémités des broches dans les douilles à vis de la puce auxiliaire.

Serrez avec un tournevis pour assurer la connectivité. Connectez une extrémité d’un câble auxiliaire à la puce du contrôleur et l’autre extrémité à un port auxiliaire d’un ordinateur. Connectez un adaptateur de courant continu de 12 volts à l’alimentation.

Mettez la puce du contrôleur sous tension en connectant l’extrémité coaxiale de l’adaptateur CC à la prise de courant. À l’aide d’un navigateur Internet, accédez à un site Web de générateur de tonalité en ligne. Tapez la fréquence souhaitée entre 5 et 1200 Hertz dans l’application en ligne et faites défiler la barre de volume jusqu’à la quantité requise.

Cliquez sur le symbole du générateur de type d’onde et sélectionnez la forme d’onde souhaitée comme le signe, le carré, le triangle ou la dent de scie. Le paramètre par défaut est une forme d’onde de signe. Appuyez sur Lecture pour actionner le haut-parleur.

Collez le haut-parleur et la puce du contrôleur sur le monticule de haut-parleurs imprimé en 3D pour le positionner sur la scène du microscope. Placez l’adaptateur imprimé en 3D de manière concentrique sur le cône du haut-parleur. Appliquez généreusement du scellant en silicone le long des bords de l’adaptateur et laissez durcir pendant deux heures.

Coupez une pointe de micropipette de 200 microlitres à environ deux centimètres de son extrémité étroite et jetez la moitié la plus large de la pointe où l’extrémité conique étroite servira de joint de coin pour une fixation réversible. Connectez le tube en polyéthylène à la sortie microcanal en enfilant d’abord à travers la pointe de la micropipette, puis à travers l’extrémité coaxiale des adaptateurs, et enfin, par le côté. Coincez fermement l’extrémité étroite de la pointe de la pipette dans l’extrémité coaxiale des adaptateurs pour créer un joint étanche détachable.

Ajouter des particules traceuses dans un flacon de solution de glycérol de 22 % poids par poids pour produire une suspension neutrement flottante avec une fraction volumique de 0,01 % à 0,1 % de polystyrène dans un liquide à 20 degrés Celsius. Mélanger vigoureusement en agitant pour produire une suspension homogène. Chargez une seringue d’entrée d’un millilitre avec un millilitre d’échantillon.

Montez et fixez la seringue chargée sur une pompe à seringue automatique. Insérez l’aiguille de la seringue dans le tube d’entrée de l’appareil pour créer un joint étanche. Assurez-vous que le tube de sortie est enraciné à travers l’ensemble de l’adaptateur et dans un réservoir.

Allumez la pompe à seringue, à l’aide de l’écran tactile, sélectionnez le type de seringue Comme Becton-Dickinson 1 mL, puis sélectionnez Infuser. Sélectionnez ensuite le débit requis du volume de débit. Initiez le débit régulier à l’aide de la pompe à seringue.

Attendez que le tube de sortie soit rempli de liquide jusqu’au haut-parleur. Sélectionnez une amplitude de fréquence et une forme d’onde requises dans l’application de générateur de tonalité, puis appuyez sur Lecture pour générer un flux oscillatoire à l’intérieur du microcanal. Montez l’appareil sur le microscope.

Configurez la configuration optique en sélectionnant un objectif avec un grossissement compris entre 10X et 40X, en ajustant le plan focal et en positionnant la scène. Pour obtenir des mesures dans un plan focal bien défini, assurez-vous que la profondeur de champ de l’objectif est inférieure à la profondeur du canal d’un facteur cinq ou plus. Pour observer le flux oscillatoire, utilisez une caméra haute vitesse avec une fréquence d’images d’au moins deux fois la fréquence d’oscillation.

Pour une résolution utile de la forme d’onde, mesurez au moins 10 points par période avec une fréquence d’images 10 fois supérieure à celle de la fréquence d’oscillation. Alternativement, pour observer les effets à long terme des écoulements positifs, effectuez une imagerie stroboscopique en réglant l’observation sur n’importe quel diviseur parfait de la fréquence d’oscillation. Pour l’imagerie directe et stroboscopique, utilisez un appareil photo équipé d’un obturateur global pour éviter l’effet jello.

Dans les deux cas, maintenez le temps d’exposition considérablement plus petit que la période d’oscillation d’un facteur 10 ou plus pour éviter les stries. Pour mesurer l’amplitude d’oscillation sans caméra à grande vitesse, enregistrez à une fréquence d’images maintenue proche mais non de la fréquence d’images stroboscopique, ce qui entraîne une oscillation fortement ralentie à partir de laquelle l’amplitude peut être mesurée, observer et enregistrer avec précision les mesures d’amplitude. Le déplacement suivi des particules traceuses au milieu du plan médian du canal a montré un signal harmonique pour les fréquences d’oscillation 100, 200, 400 et 800 Hertz.

Dans un diagramme de l’amplitude d’oscillation par rapport à la fréquence pour tous les réglages de volume du haut-parleur, la courbe caractéristique avait un pic de résonance à environ 180 Hertz au-delà duquel l’amplitude diminue avec la fréquence croissante. L’effet de différents paramètres sur l’amplitude oscillatoire sur la plage de fréquences opérationnelles par rapport au cas de référence, a montré que lorsque la viscosité du liquide de travail est augmentée, l’amplitude diminue d’un facteur de près de deux. Lorsque le diamètre du tube microfluidique pour le même matériau est augmenté, l’amplitude augmente par rapport au cas de référence d’un facteur compris entre 1,5 et 3 selon la fréquence.

Lorsque la longueur du tube pour le même matériau est augmentée, l’amplitude augmente considérablement près de la fréquence de résonance. Les traces de déplacement de particules pour les formes d’ondes non sinusoïdales ont montré que des changements de position très brusques associés aux formes d’ondes carrées et en dents de scie ne sont pas possibles dans les systèmes réels. Néanmoins, les spectres de Fourier étaient en bon accord avec les spectres idéaux, au moins jusqu’à la troisième harmonique.

Il est important de confirmer que le tube de sortie est entièrement rempli de liquide. Cela garantit que l’amplitude est maximale et qu’elle est constante avec le temps. Un appareil photo avec obturateur global doit également être utilisé.

Nous avons utilisé cette technique pour observer et mesurer avec précision le comportement des particules de la taille d’un micron après avoir parcouru une très longue distance à l’intérieur d’un microcanal. Cela nous a permis de mettre en œuvre de nouvelles techniques de manipulation microfluidique.