מאמר שיטה

תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic

DOI:

10.3791/57532

⸱

30 באוגוסט 2018

 ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 2Department of Mechanical Engineering, Carnegie Mellon University

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות משאבת מזרק לחץ מבוקר כדי לשמש microfluidic יישומים. זו משאבת מזרק עשוי גוף מתוצרת additively, בחומרה הניתנת לרכישה, אלקטרוניקה פתוח. מערכת המתקבלת היא בעלות נמוכה, פשוט לבנות, ומספק זרימת נוזל מוסדרים היטב כדי לאפשר מחקר microfluidic מהירה.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מיקרופלואידיקה הפך כלי קריטי במחקר על פני ביולוגית, כימית, מדעים פיסיקליים. מרכיב חשוב אחד של ניסויים microfluidic הוא נוזל יציב טיפול המערכת מסוגל לספק באופן מדויק של כניסת קצב הזרימה או כניסת הלחץ. . הנה, פיתחנו מערכת משאבת מזרק היכולים לשלוט ומסר לווסת את כניסת הנוזלים הלחץ למכשיר microfluidic. מערכת זו תוכננה באמצעות חומרים נמוכים ועקרונות הייצור מוספים, מינוף תלת מימדי (3D) הדפסת חומרים תרמופלסטיים, רכיבי מדף במידת האפשר. מערכת זו מורכבת שלושה מרכיבים מרכזיים: מזרק משאבה מתמר לחץ, של מיקרו לתכנות. בתוך המאמר, אנחנו פירוט ערכה של פרוטוקולים בדיית, הרכבה של תכנות המערכת משאבת מזרק. יתר על כן, כללנו התוצאות נציג להפגין אמינות גבוהה, משוב שליטה על כניסת הלחץ באמצעות מערכת זו. אנו מצפים פרוטוקול זה יאפשר לחוקרים לפברק מערכות משאבת מזרק נמוכים, הנמכת המכשול ערך עבור השימוש מיקרופלואידיקה ב כימיה ביו, ולאחר מחקר בנושא החומרים.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Microfluidic כלי שימושי עבור המדענים במחקר ביולוגי וכימי. ניצול בנפח נמוך, יכולות מדידה מהירה וכתוצאה הזרימה מוגדרים היטב פרופילים, מיקרופלואידיקה צברה אחיזה גנומית, מחקר פרוטיאומיה מבנית ההקרנה תפוקה גבוהה, אבחון רפואי, ננוטכנולוגיה, תא בודד ניתוח1,2,3,4. יתר על כן, הגמישות של עיצוב המכשיר microfluidic מאפשר בקלות מחקר מדעי בסיסי, כגון חוקרים את הדינמיקה ייתכן של מושבות חיידקים בתרבית5.

סוגים רבים של מערכות הזרקת נוזל פותחו למסור במדויק זרימה למכשירים microfluidic. דוגמאות של מערכות הזרקה כאלה כוללים סחרור, משאבות recirculation6, מערכות לחץ-קונטרולר7ו משאבות מזרק8. אלו מערכות הזרקה, כולל משאבות מזרק, מורכבים לעיתים קרובות רכיבים יקרים דיוק מהונדסים. משלים את המערכות האלה עם לולאה סגורה משוב שליטה בלחץ הזרם פלט של מוסיף לעלות של מערכות אלו. בתגובה, קודם לכן פיתחנו מערכת משאבת מזרק חזקות, בעלות נמוכה המשתמשת בקרת לולאה סגורה משוב כדי לווסת את לחץ זרימת outputted. באמצעות בקרת לולאה סגורה לחץ, הצורך רכיבים יקרים דיוק מהונדסים הוא והפרתה9.

השילוב של חומרה 3D-הדפסה במחיר סביר, גידול ניכר בתוכנת קוד פתוח המשויך הפך את עיצוב, ייצור של microfluidic התקנים נגיש יותר ויותר חוקרים ממגוון רחב של דיסציפלינות10. עם זאת, המערכות נהגה נוזל נסיעה דרך מכשירים אלו נשארים יקר. כדי לטפל צורך זה עבור מערכת בקרת נוזלים נמוכים, פיתחנו לעיצוב יכול להיות מפוברק על ידי חוקרים במעבדה, המחייב רק מספר קטן של מכלול צעדים. למרות הרכבה שלה נמוכים וישירה, מערכת זו מספקים בקרת זרימה מדויק ומספק אלטרנטיבה למערכות משאבת מזרק זמינים מסחרית, לולאה סגורה, אשר ניתן לחדשו.

כאן, אנו מספקים פרוטוקולים בנייה ושימוש לולאה סגורה מבוקר מזרק משאבה המערכת שפיתחנו (איור 1). הנוזל טיפול מערכת מורכבת של משאבת מזרק הפיזי בהשראת המחקר הקודם של11של מיקרו-בקר, חיישן לחץ piezoresistive. כאשר התאספו מתוכנת עם בקר (PID) פרופורציונלי-אינטגרל-נגזרת, המערכת היא מסוגלת לגרום זרימה מוסדר היטב, מונחה לחץ למכשירים microfluidic. זה מספק חלופה בעלות נמוכה וגמיש מוצרים מסחריים עלות גבוהה, הפעלת קבוצה רחבה יותר של החוקרים להשתמש מיקרופלואידיקה בעבודתם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. מימד להדפסה והרכבה של משאבת מזרק

  1. להכין, 3D-הדפסה המזרק משאבה רכיבים
    1. להוריד. STL עיצוב קבצים מתוך קבצי משלימה הנייר הזה.
      הערה: יש שש. קבצים STL, שכותרתו 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl', ו ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', משלימה קבצים. קבצים אלה תואמים הרכיבים מודפס 3D של המשאבה מזרק.
    2. להכין קבצים אלה להדפסה על-ידי פתיחתן בחבילת תוכנה מוקדש ההמרה של. STL דגם קבצים לסטים הוראות הפעלה של המדפסת-3D בשימוש. ודא כי התוכנה הנכונה משמש כמו מדפסות מסוימות ידרשו תוכנה קניינית, ואילו אחרים עשויים להיות מסוגלים להדפיס ישירות. קובץ STL.
    3. הדפס רכיבי פלסטיק באמצעות styrene טבעי בוטאדיאן (ABS) עם הגדרת מדפסות תלת-ממד באיכות גבוהה. אם חומרים נפוצים אחרים הדפסת תלת-ממד נמצאים בשימוש, כגון חומצה polylactic (PLA) או אחרים אלסטומרים תרמופלסטיים, ודא כי תכונות מכאניות סיים (למשל, גמישות, היפותזות חוזק) הם המקבילה ABS.
    4. לנתק את החלקים המודפס של פלטפורמת ההדפסה של 3D-המדפסת. הסר את מבנה התמיכה מודפסים החלקים המוגמר.
      הערה: המבנה התומך הוא תוכנן על ידי התוכנה המיוחדות למדפסת להשתמש כדי להמיר. לקבצים STL, מודל ההוראה הפעלה להגדיר עבור תלת-ממד-המדפסת. הסכום של המבנה של החומר תמיכה עשויות להשתנות בהתבסס על התוכנה ששימשה.
    5. להחליק את הרכיבים המודפס על-ידי מלטש מכל קצוות באמצעות נייר זכוכית. לקבלת תוצאות מיטביות, השתמש בנייר זכוכית עם חצץ בגודל של 220. ודא שכל הרכיבים פועלים חלקה לפני הרכבת.
    6. ודא כי כל חלקי שבע הודפסה.
      הערה: חלקים אלה קיבלו את שמם הבאים: (I) מחבר מנוע, (II) הנוסע, (III) סוף להפסיק, פלטפורמה מזרק (IV), קלאמפ מזרק (V), (VI) מזרק הבוכנה מחבר זכר וטעינה (VII) מזרק הבוכנה מחבר הנקבה. הספרה הרומית עבור כל אחד מהרכיבים נקראת איור2 א. רשימה מפורטת של החלקים להרכבת נמצא על השולחן של חומרים.
  2. להרכיב את משאבת מזרק (איור 2)
    1. הדקי המנוע stepper אל מוט הברגה באמצעות מוט מנוע מצמד גמיש ציר z עם ערכת ברגים. לפני שתמשיך, ודא כי סיבוב הכוננים המנוע פיר stepper את רוד משורשרות ללא החלקה.
    2. להתחבר פלטפורמת מזרק המחבר מנוע בהקשת בחוזקה יתדות חיבור של הפלטפורמה מזרק לתוך החורים ההזדווגות על המחבר מוטוריים.
    3. לצרף את החלק שהורכב בשלב 1.2.1 עם החלק בשלב 1.2.2 מאת והידק את ארבעת הברגים 16 מ מ דרך המחבר מוטוריים.
    4. להוסיף שני כדורים ליניארי, אגוז hex 0.8 מ מ לתוך הפתחים ממוקם בתחתית לדחוף את הנוסע.
    5. יישר את רוד משורשרות במחבר מוטוריים דרך האגוז hex 0.8 מ מ בלדחוף את הנוסע.
    6. הכנס את שני המוטות לינארית דרך לדחוף את הנוסע, המחבר מוטוריים.
    7. מקום שני אגוזים הקסדצימאלי ברווחים משושה של היצירה מחבר מנוע, ולאחר מכן להשתמש שני הברגים 16 מ מ להדק את החיבורים, אבטחת המוטות ליניארי לנוע.
    8. הכנס את מיסב כדורי לתוך הפתח האמצעי של התחנה הסופית.
    9. להתחבר התחנה הסופית עם הרכיבים שהורכב מ שלב 1.2.7.
    10. המקום אגוזים הקסדצימאלי שני ברווחים משושה של הסוף לעצור את היצירה, ולאחר מכן השתמש שני הברגים 16 מ מ להידוק הקשרים להצמיד התחנה הסופית לאסיפה.
    11. לצרף את החתיכה מחבר הנקבה משאבת מזרק היצירה לדחוף הנוסע באמצעות שני אגוזים נעל פלדה ושני הברגים 16 מ מ.
    12. במקום מזרק 10 מ"ל על המשאבה. ודא ראש הבוכנה מיושר לתוך החריץ של היצירה מחבר הנקבה משאבת מזרק העליון של החבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המחבר מוטוריים.
    13. הכנס מזרק הבוכנה זכר מחבר היצירה למחבר נקבה משאבת מזרק. ודא כי יש התאמה. הדוקה בין הרכיבים זכר ונקבה, אבטחת הבוכנה במקום.
    14. לחבר את המלחציים מזרק פלטפורמת מזרק באמצעות שני אגוזים הקסדצימאלי שני הברגים 35 מ מ, הבטחת שהחבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המלחציים מזרק.

2. Microfluidic התקן הכנה

  1. לפברק בתבניות בסיס באמצעות פוטוליתוגרפיה
    הערה: נוהל המפרט את עיצוב, ייצור של מאסטר ליציקות ייצור המכשיר microfluidic ניתן למצוא ספרות הקודם12.
    1. שימוש בתוכנה תכנון המועדפת בעזרת מחשב (CAD), ליצור את השרטוטים הדרושים ל- photomask ולהדפיס אותו על צלחת זכוכית או קוורץ.
      הערה: חומרים אחרים עשוי להיות מקובל על פי דרישות של aligner המסכה בשימוש. ההדפסה של אלה photomasks הושלמה בדרך כלל על-ידי ספק חיצוני.
    2. להשתמש בשיטות פוטוליתוגרפיה ליצירת תבנית בסיס photomask. בצע הליך זה בסביבת חדר נקי.
    3. חושפים את העובש מאסטר מפוברק לגז fluorosilane ב desiccator ואקום.
      הערה: תהליך זה מקלה על שחרורו של polydimethylsiloxane (PDMS) מ כייר האב כאשר בדיית microfluidic התקנים. כדי להתייחס כייר מאסטר, להוסיף 3 טיפות fluorosilane גביע ולמקם את הספל בתוך תא ואקום.
    4. להחיל שואב אבק עבור 1 מינימלית קרוב תא ואקום אבל מאסטר העובש בבית הבליעה למשך 30 דקות לאפשר בתצהיר של fluorosilane. כאמצעי בטיחות, ביצוע הליך זה ברדס fume להגביל חשיפה לאדים מסוכנים fluorosilane.
  2. לפברק מכשירים PDMS
    1. שוקלים הפולימר טרום PDMS בסירה השקילה. למרות העובי הרצוי של המכשיר PDMS הסופי עשוי להשתנות, 30 גרם של פולימר קדם עובד היטב עבור מאסטר עובש של 100 מ מ קוטר.
    2. למדוד ולהוסיף סוכן ריפוי ב- 1:10 יחס הפולימר מראש. תבנית בסיס של 100 מ מ קוטר, הוסיפו דור 3 של סוכן ריפוי.
    3. מערבבים היטב את הסוכן פולימר קדם, ריפוי ביד באמצעות מרית חד פעמיות. לאחר 30 s, בדוק כי שם הם קטנים, מופרדים בקביעות בועות אוויר בפתרון, המציינת את הפולימר קדם וריפוי סוכנים הם מעורבים היטב.
    4. למקם את העובש מאסטר צלחת תרבות, בזהירות שופכים את התערובת PDMS על גבי בסיס העובש.
      הערה: העובי הרצוי של המכשיר PDMS עשויים להשתנות בהתאם היישום שלה.
    5. דגה את התערובת, desiccator ואקום עבור מר 1 ודא כי אין בועות הן נצפות בתוך התערובת. אם יש בועות הנוכחי, לשחרר את הלחץ ואקום במהירות, ולאחר מכן החל מחדש ואקום. לאפשר את התערובת לשבת לפחות 10 דקות לאחר הליך זה.
    6. להעביר את התערובת PDMS תנור להגדיר ב- 90 ° C. לאפשר את התערובת לרפא למשך 30 דקות.
    7. הסר את PDMS כייר מאסטר. חותכים את PDMS הממדים הרצויים באמצעות סכין גילוח. ללבוש כפפות כדי להגביל את החשיפה PDMS מזהמים.
    8. מנקבים חורים עבור יציאות כניסת ולשקע עם מחט שחולק 23 גרם. כדי להקל על תהליך זה, קובץ המחט עם קובץ מתכת או נייר זכוכית כדי לחדד את הקצוות בוטה. ודא כי הצילינדר punctuated של PDMS הוסר מן המחט לאחר כל ניקוב.
      הערה: מחטים עם גדלים שונים יכול לשמש עבור ניקוב חורים. ודא הגודל מעט יותר גדול מאשר המחטים בשימוש בשלב 3 של פרוטוקול זה.
    9. רוחצים את PDMS עם מים מסוננים יונים את מילה נהדרת של PDMS שימוש במקור האוויר או חנקן מצויד במסנן 0.2 µm.
      הערה: הלחץ המדויקת אינה קריטית, מקור גז דחוס מהמערכת המרכזית של בניין עובד היטב עבור שלב זה.
    10. מצע כיסוי זכוכית בורוסיליקט מס ' 1 עם חומרים פעילי שטח, כמו חומר ניקוי אבקת, ונקי מילה נהדרת באמצעות מקור נשוף אוויר מצויד במסנן 0.2 µm. לנקותו ביסודיות כפי כיסוי זכוכית לעיתים קרובות מצופה חומר סיכה הידרופובי, אין אפשרות לאגד אל PDMS, אלא אם כן זה כראוי ינוקו.
    11. באמצעות הקלטת רגיש ללחץ, נוגעים בעדינות את PDMS כדי להסיר את כל האבק שיורית. כדי להבטיח שהתכונות עי לא נחשפו, אין להקיש עם כמויות גדולות של כוח על הקלטת.
    12. למקם את המכשיר PDMS, זכוכית מכסה נקי לתוך פלזמה חמצן המנקה מינימלית 1 ודא הצבע מן החדר נקי פלזמה מגנטה בהיר במהלך התהליך. ודא כי המכשיר PDMS יש תכונות עי שלו חשופה, פנים כלפי מעלה, ב הפלזמה מנקה.
    13. לקחת את PDMS ואת הזכוכית המכסה של פלזמה מנקה ולמקם את כיסוי הזכוכית, פנים כלפי מטה, לתוך ההתקן PDMS.
      הערה: זה יגרום הזכוכית המכסה, את PDMS להתחבר באופן כמעט מיידי. אם הכריכה אינה גלויה, לחץ בעדינות את הכוס לכסות PDMS בקטע של PDMS ללא תכונות מעוצבת. זה אמור לגרום מליטה להתרחש בין הזכוכית המכסה את PDMS.
    14. לשים את המכשיר PDMS בתנור ב 90 מעלות צלזיוס במשך לפחות 12 שעות על מנת להבטיח את PDMS, הזכוכית המכסה היטב bonded.

3. מכלול המערכת משאבת מזרק משוב מבוקר

  1. להסיר את הכמות המתאימה של אורך הבידוד חוט ו מיגון של הכבל חשמל של חיישן הלחץ באמצעות סכין גילוח. להיות עדין בעת חיתוך כדי להבטיח שהחוטים לא נחשפו מעל לאורך הרצוי. פעם יוסרו הבידוד ו מיגון, חבר את החוטים למחברי מלבני זכר.
  2. שימוש בגישה דומה לשלב הקודם, הסר 1-2 ס מ של חוט הבידוד מהפניות של מנוע stepper וחבר חוטי החשמל למחברים מלבני זכר.
  3. מוספית המזרק לצד מפרץ צר של החיישן לחץ. להתחבר מחט שחולק 22 גרם לצד עודפים של החיישן לחץ.
  4. להחליק קצה אחד של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על המחט שחולק 22 גרם מחובר החיישן לחץ.
  5. להחליק את הקצה השני של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על מחט שחולק 22 גרם, יכולים להיות מחוברים למכשיר microfluidic. לחבר את המחט אל הנמל כניסת של המכשיר microfluidic.
  6. התחבר יציאת עודפים של מכשיר microfluidic מאגר לסילוק פסולת באמצעות מחט 22 גרם 0.51 ס"מ קוטר אבובים, דומה לזה החיבור של היציאה כניסת.
  7. להרכיב את המעגל האלקטרוני על קרש חיתוך שטנץ ללחם על פי הדיאגרמה באיור3.
    הערה: זו בממרח מגישה להתנות את אות חיישן הלחץ יהיה פיקוח על ידי מיקרו-בקר. בקרים תואם אחרים עשוי לשמש כדי לנטר את האות חיישן הלחץ.
  8. חבר את החוטים מן המנוע stepper עם הנהג מנועים stepper. חבר את החוטים של חיישן הלחץ ואת הנהג מנועים stepper עם בממרח לפי התוכניות באיור3. החוטים חשוף חיישן הלחץ ומסומנות בצבעים, צריכים להיות מחוברים כדלקמן: אדום צריך להתחבר V +, שחור מומלץ להתחבר V-, ירוק מומלץ להתחבר אות +, לבן מומלץ להתחבר האות-.
  9. לחבר את אות הפלט מ בממרח עם הפין קלט אנלוגי על מיקרו-בקר.
  10. לחבר את הסיכות קלט של הלוגיקה של מנהל ההתקן מנועים stepper עם סיכות דיגיטלי מיקרו-בקר. שלב הקלט על הנהג מנועים stepper מקושר עם נמל רוחב מאופנן (PWM) הדופק של הפינים דיגיטלית מיקרו-בקר, מסומן על ידי ' ~' סימן.
  11. לחבר את ספק הכוח בממרח על פי הדיאגרמה באיור3. הגדר את אספקת החשמל 10 V עבור בממרח והנהג מנועים stepper.

4. כיול חיישן לחץ

הערה: מבוסס על המגבר נבחר בעיתון הזה, הנוסחה כדי לחשב את הרווח הוא G = 5 + (200k/RG) עם RG = R1 ו- G = רווח מגבר. מגבר כאן הוא כ 606. ערך זה ניתן לשינוי על-ידי שינוי ההתנגדות המשמש עבור R1. בנוסף, רמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר היא 5 V, מכשור הוא מופעל עם 10 V, מעגל פשוט מחלק מתח, R2, R3, משמש כדי להגן על האות הפלט אמור להיות לא יותר מ 5 V.

  1. הורד והתקן את הסביבה המתאימה פיתוח משולבת (IDE) עבור מיקרו-בקר.
  2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Pressure_Sensing.ino' מקבצי משלים. השתמש באפשרות זו קוד הוא לרכוש את האות ללחץ של חיישני לחץ כפול.
    הערה: קוד מיקרו-בקר ובקר שמשמש בעיתון הזה כוללים סיכות קלט אנלוגי עם רזולוציה 10 סיביות אשר לקרוא האותות האנלוגיים חיישן הלחץ כל 200 ms כדי להניע את stepper מוטורס. המספר בכן analogRead() מקביל הסיכה קלט אנלוגי מחובר לאות פלט מן המעגל מחלק מתח במעגל חיישן הלחץ באיור3. המשתנה עיכוב מייצג את מרווח הזמן-אשר האות היא הילודה והפלט בהתאם, ב ms.
  3. החל לחצים ידוע לים של החיישן עם השקע כתרים, למדוד את אות הפלט המתקבל.
    הערה: שיטה פשוטה כדי לכייל את חיישן הלחץ משתמשת מאגר מים שהתקיים בגבהים שונים. הלחץ שנוצר הכבידה זוהה יאפשר אחד לכייל את חיישן הלחץ.
  4. להתוות את הדיאגרמה עם הלחץ כיול חלה (Pa) על ציר ה-x ואת הלחץ האות (V) על ציר-y כדי לקבל ערך מספרי של החיתוך-y.
  5. להחיל את הערך המספרי הזה בקוד בקר, כגון sensor1Offset ו- sensor2Offset המשתנים בקוד 'Dual_Pump_PID_Control.ino' של קבצים משלימה, כדי לכייל את ערך הלחץ במערכת בקרת משוב.

5. לכידת תמונות מהתקן ה-Microfluidic

  1. להתחבר עם מיקרו למחשב יחיד פנסיון פתוח באמצעות ממשק טורי כך התמונה שנתפסו על ידי המדידות לחץ גורמים מפעילים מיקרו-מחשב על ידי מיקרו.
  2. להתחבר מודול המצלמה שנעשו במחשב יחיד פנסיון לאחד העין-פיסות stereomicroscope. כאן, 20 X הגדלה משמש לשיקוף המכשירים microfluidic.

6. שליטה בלחץ צנתרים

  1. פתח את ה-IDE עבור מיקרו-בקר קוד פתוח. הורד את Timer.h13 של ספריות14 AccelStepper.h של מיקרו-בקר IDE הספריה בספריה.
  2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Dual_Pump_PID_Control.ino' מתוך קבצי משלימה. קוד זה משמש כדי לשלוט במערכת משאבת מזרק שבשליטת משוב עם שתי משאבות.
  3. תוכנית הקוד בקר כך שיתאים להיות נערך. לשנות את הפרמטרים שליטה או את פרמטרי תזמון כדי להתאים את התגובה הרצויה והמשך של הניסוי. להדר ולהעלות את הקוד מיקרו-בקר לפני הפעלת הניסוי.
    הערה: בקוד בקר, setPoint1/2 ערכי משמשים כדי לשנות את רמת הלחץ, stepper1/2Out ערכי משמשים כדי לכוונן את מהירות המשאבה. לאחרונה שני הערכים בעמודה stepper1/2 AccelStepper תואמים מספר היציאה על מיקרו-בקר. המשתנה milliTiming מכתיבה את התדירות של קריאת האות האנלוגי של חיישני הלחץ ומכתיב המשתנה printTiming התדירות של פלט מהירות וערכי לחץ לצג טורי לבדיקה. כל היחידות הם גב' שהמשתנה maxError נקבע מרמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר. ערך של 5 משמש כאן גם מיקרו-בקר ב פרוטוקול זה 5 V.
  4. הפעל את אספקת החשמל עבור מערכת משאבות מזרק. הגדר את המתח 10 V עבור מנועים stepper הזרם.

7. כוונון הפרמטרים PID בבקר

הערה: ערכי פרמטר בקר אידיאלי עשוי להשתנות בהתאם ליישום ואת הגיאומטריה התקן microfluidic. לדוגמה, עבור לטווח ארוך לחקר (בשעות), נמוך יותר ביחס קבוע (Kp) עשוי להיות עדיף לצמצם להחטיא על חשבון זמן התגובה. יתרונות וחסרונות אלה תלויות ניסיוני תנאים ויעדים.

  1. מנגינה של הבקר, באמצעות גישה ידנית, על-ידי התאמת הראשון הקבוע פרופורציונלית (Kp) כדי לשפר את זמן התגובה של פונקציית מדרגות.
    הערה: למרות גישות אלגוריתמית עשוי להיות ידני משומש, כוונון עבודות עבור היישומים microfluidic באיור הנייר הזה.
  2. בשלב הבא, לשנות את-אינטגרל (Ki) והפרמטרים (Kd) דיפרנציאלית כדי למזער את להחטיא ולהבטיח את יציבות קבע-נקודה.
  3. הגדר את ערכי PID עבור המשתנים Kp, קי, Kd בקוד בקר של קבצים משלימה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הבנייה של מזרק שבשליטת משוב משאבת המערכת ומדגימים ושימושיה הפוטנציאליים עבור יישומים microfluidic. איור 1 מציג את מערכת מחוברת משאבת מזרק, חיישן הלחץ, התקן microfluidic, מיקרו-בקר, מעגל חיישן הלחץ, ו stepper מנוע הנהג. נתונים היסטוריים והסברים על מכלול משאבת מזרק מוצגים באיור 2, המעגל האלקטרוני סכימטי על חש לחץ מוצג באיור3. התהליך של כוונון הפרמטרים השליטה מוצג

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

. הנה, הצגנו עיצוב חדש עבור מערכת משאבת מזרק עם בקרת לולאה סגורה לחץ. דבר זה הושג על-ידי שילוב של משאבת מזרק מודפס 3D עם חיישן הלחץ piezoresistive, מיקרו של קוד פתוח. על ידי העסקת בקר PID, הצלחנו לשלוט על הלחץ כניסת ולספק זמני תגובה מהירים תוך בו-זמנית שמירה על היציבות על נקודה ערכה בדיוק.

ניסויים רבים באמצעות מכשירי microfluidic דורשים שליטה מדויקת fluidic ולנצל פרופיל זרימה שכבתית מאופיין היטב. איפה פרופיל זרימה יציבה חשובה דוגמאות ניסויים זה לחקור את מעברי צבע הגיאופוליטיות והמרחביות הטמפור...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים להכיר תמיכה של המשרד של המחקר הימי פרסים N00014-17-12306 ו- N00014-15-1-2502, כמו גם של חיל האוויר Office של המחקר המדעי פרס FA9550-13-1-0108 ו את מענק קרן המדע הלאומית מס 1709238.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Arduino IDEArduino.orgArduino Uno R3
Digi-KeyWM4000-NDעם 2 מיקומים
Digi-KeyWM4001-NDעם 3 מיקומים
Digi-KeyWM4002-NDעם 4 מיקומים
, 22 מדים,Digi-Key1528-1752-ND
חוט חיבור, 22 מד,Digi-Key1528-1757-ND
, 22 מד,Digi-Key1528-1750-ND
, 22 מד,Digi-Key1528-1768-ND
, 22 מד,Digi-Key1528-1751-ND
InstrumentsINA122P
מיקרו-בקר, Arduino Uno R3Arduino.orgA000066
Mini BreadboardAmazonB01IMS0II0
ספק-כוחBK Precision1550
חיישן לחץPendoTechPRESS-S-000
מחברים מלבניים, בתיםDigi-KeyWM2802-ND
מלבני מחברים,Digi-KeyWM2565CT-ND
, 10k Ohm Digi-Key1135-1174-1-ND
, 330 אוהם 330ADCT-NDDigi-Key
EasyDriverDigi-Key1568-1108-ND
AmazonPC045 Amazon PC045A-זכר
Z-ABS Zortraxמגוון צבעים זמינים
מדפסת תלת מימדZortraxM200הדפסת רכיבי משאבת המזרק
מיסב כדורי, 17x6x6 מ"מברגי מכונת משושה של אמזון
, M3x16 מ"מ B00W97MTIIשל אמזון
, M3x35 מ"מ משושה B00W97N2UWאמזון
, M3 0.5 אמזוןB012U6PKMO
אגוז משושה, M5 מוט
מיסב כדורי ליניארי שלאמזון
אום נעילת פלדה B010MZ8SQU
מזרק, 10 מ"ל, Luer-Lok TipBD309604
מוט הברגהאמזוןB01MA5XREY
1H, 1H, 2H, 2H-PerfluorooctyltrichlorosilaneFisherScientific
מודול מצלמהRaspberry Pi FoundationV2
תנור קומפקטיFisherScientificPR305220Gאפייה PDMS תערובת פרה-פולימר והמכשיר
מחט חלוקה, 22 מדMcMaster-Carr75165A682
מחט חלוקה, 23 מדMcMaster-Carr75165A684
Fisherbrand Premium Cover משקפיFisherScientific12-548-5C
צלחת פטרי תרבות זכוכית, 130x25 מ"ממוצרים חינוכיים אמריקאים7-1500-5
מנקהפלזמהHarrick PlasmaPDC-32Gקשירת זכוכית הכיסוי עם מכשיר ה-PDMS
Razor BladesFisherScientific7071A141 
סקוטש מג'יק טייפאמזוןB00RB1YAL6
לוח יחיד מחשבRaspberry Pi FoundationRaspberry Pi 2 דגם B
מרית חכמהFisherScientificEW-06265-12
Sylgard 184 ערכת אלסטומר סיליקוןFisherScientificNC9644388
מסנני מזרקThermo Scientific7252520
טיגון טיובינגקולפארמר EW-06419-01
מייבש ואקוםFisherScientific08-594-15Cהסרת תערובת פרה-פולימר PDMS וציפוי פלואורוסילן על תבנית המאסטר
שקילת כליםFisherScientificS67090A
מחבר פסי-פינים של תוכנת הבקרה , מחבר פסי-פינים , מחבר פסי-פינים , חוט חיבור שחור חוט חיבור כחול חוט חיבור אדום חוט חיבור לבן מגבר מכשור צהוב Texas נגדי זכרנגדי דוחף מנועי צעד מבית , כבל USB 2.0 , חומר מודפס בתלת-ממד מזכר , B008X18NWKברגי מכונת משושה אגוז עגול מחרטה של אמזון B012T3C8YQ B00AUB73HW מצמד גמיש ליניארי של אמזון B01IDKG1WO אמזון, מנוע צעד M3 0.5 אמזון B000NBKLOQ, NEMA-17, 1.8o/step Digi-Key 1568-1105-ND AAL1660609

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  2. Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
  3. Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
  4. Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
  5. Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
  6. Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
  7. Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273(2016).
  8. Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
  9. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
  10. Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
  11. Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216(2014).
  12. Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
  13. Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
  14. Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
  15. Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
  16. Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים