Method Article

הרכבה ואפיון של דרייבר חיצוני ליצירת זרימה תנודתית תת-קילוהרץ במיקרו-ערוצים

DOI:

10.3791/63294

⸱

January 28th, 2022

 , 
1Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

In This Article

Summary

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

הפרוטוקול מדגים שיטה נוחה להפקת זרימה מתנדתית הרמונית מ-10-1000 הרץ במיקרו-ערוצים. זה נעשה על ידי התממשקות דיאפרגמה רמקול מבוקרת מחשב למיקרו-ערוץ באופן מודולרי.

Abstract

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

הטכנולוגיה המיקרופלואידית הפכה לכלי סטנדרטי במעבדות כימיות וביולוגיות הן לניתוח והן לסינתזה. הזרקה של דגימות נוזליות, כגון ריאגנטים כימיים ותרביות תאים, מתבצעת בעיקר באמצעות זרימות קבועות המונעות בדרך כלל על ידי משאבות מזרקים, כוח הכבידה או כוחות נימיים. השימוש בזרימות מתנודתיות משלימות נחשב רק לעתים רחוקות ביישומים למרות יתרונותיו הרבים כפי שהוכחו לאחרונה בספרות. החסם הטכני המשמעותי ליישום זרימות מתנודתיות במיקרו-ערוצים אחראי ככל הנראה להיעדר אימוץ נרחב שלה. משאבות מזרקים מסחריות מתקדמות שיכולות לייצר זרימה מתנדתית, הן לעתים קרובות יקרות יותר ופועלות רק עבור תדרים של פחות מ-1 הרץ. כאן, ההרכבה והתפעול של מנגנון מבוסס רמקולים מסוג plug-and-play בעלות נמוכה, המייצר זרימה מתנודדת במיקרו-ערוצים, מודגמת. ניתן להשיג זרימות מתנדות הרמוניות בנאמנות גבוהה עם תדרים הנעים בין 10-1000 הרץ יחד עם בקרת משרעת עצמאית. ניתן להשיג אמפליטודות הנעות בין 10-600 מיקרומטר לאורך כל טווח הפעולה, כולל אמפליטודות > 1 מ"מ בתדר התהודה, במיקרו-ערוץ טיפוסי. למרות שתדירות התנודה נקבעת על ידי הרמקול, אנו ממחישים כי משרעת התנודה רגישה לתכונות הזורם ולגיאומטריית התעלה. באופן ספציפי, משרעת התנודה פוחתת עם הגדלת אורך מעגל הערוץ וצמיגות הנוזל, ובעבר, המשרעת גדלה עם הגדלת עובי ואורך שפופרת הרמקול. בנוסף, המנגנון אינו דורש תכונות קודמות כדי להיות מתוכנן על המיקרו-ערוץ והוא ניתן להסרה בקלות. זה יכול לשמש בו זמנית עם זרימה קבועה שנוצרה על ידי משאבת מזרק כדי ליצור זרימות pulsatile.

Introduction

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

השליטה המדויקת בקצב זרימת הנוזלים במיקרו-ערוצים היא חיונית ליישומי מעבדה-על-שבב כגון ייצור טיפות ואנקפסולציה1, ערבוב 2,3, ומיון ומניפולציה של חלקיקים מרחפים 4,5,6,7. השיטה הנפוצה ביותר לבקרת זרימה היא משאבת מזרק המייצרת זרימות יציבות מבוקרות מאוד המעניקות נפח קבוע של נוזל או קצב זרימה נפחי קבוע, המוגבל לעתים קרובות לזרימה חד כיוונית לחלוטין. אסטרטגיות חלופיות ליצירת זרימה חד כיוונית כוללות שימוש בראש כבידה8, כוחות נימיים

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. תכנון וייצור תבניות אב טיפוס מהיר

  1. פתח את AutoCAD במחשב. בחר קובץ בשורת המשימות ולאחר מכן בחר פתח וגלוש אל ולחץ על קובץ מודל תלת-ממדי (3D) של תבנית הערוץ בעל סיומת .dxf או .dwg.
  2. בחר את הדגם כולו על-ידי לחיצה וגרירה של תיבה סביבו. ייצא את העיצוב כקובץ .stl על-ידי בחירה בקובץ | ייצא ולאחר מכן תבניות אחרות ובחירת .stl מהתיבה הנפתחת. 
  3. העלה את הקובץ למדפסת שרף סטריאוליתוגרפית (SLA) ברמת דיוק גבוהה, כגון Formlabs FORM3. יוצקים את השרף לתוך תא השרף ומתחילים להדפיס ולייצר את התבנית עם שלבי ציר z הקטנים ביותר (25 מיקרון עבור שרף Clear של Formlabs).
  4. המת....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

כדי להמחיש את היכולת והביצועים של ההתקנה לעיל, מוצגות תוצאות מייצגות של זרימה מתנודדת במיקרו-ערוץ ליניארי פשוט עם חתך מרובע. רוחבה וגובהה של התעלה הם 110 מיקרומטר ואורכו 5 ס"מ. ראשית, אנו מתארים את התנועה של חלקיקי עקבות פוליסטירן כדוריים וכיצד ניתן להשתמש בהם כדי לבדוק את התזזיתיות של האות המתנד, כמו גם את טווח משרעת התנודות הניתנות להשגה. לאחר מכן נדון בהשפעה של תכונות נוזל ספציפיות או חומרים מיקרופלואידיים על משרעת התנודה. לבסוף, אנו ממחישים את היכולת עבור צורות גל שאינן סינוסואידליות.

לשם .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

הדגמנו את ההרכבה (ראו פרוטוקול שלבים קריטיים 3 ו-4) ואת הפעולה (ראו פרוטוקול שלבים קריטיים 5 ו-6) של מנגנון חיצוני מבוסס רמקולים ליצירת זרימה מתנדתית עם תדרים בטווח של 10 עד 1000 הרץ בהתקנים מיקרופלואידיים. מעקב אחר חלקיקים של חלקיקי עוקבים מרחפים נדרש כדי לקבוע את הנאמנות של התנועה ההרמונית, כמו גם לכיול טווח משרעת התנודות הניתנות להשגה על פני טווח תדרי ההפעלה. עקומת המשרעת-תדר עבור הגדרת נפח נתונה תלויה בעיקר במאפייני הדובר, שאותם לא ניתן לשנות (ראו דיון במאפייני הדובר בתוצאות מייצגות עבור איור 3A,.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

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

ברצוננו להכיר בתמיכה שניתנה ובמתקנים הניתנים על ידי המחלקה למדע מכני והנדסה מעבדה מהירה ליצירת אב-טיפוס באוניברסיטת אילינוי כדי לאפשר עבודה זו.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<חזק>מכלול נהג תנודתי
חוט תנין לפיןAdafruit3255קליפ תנין קטן לחוט מגשר זכר (12)
כבלAux Adafruit26983.5 מ"מ כבל סטריאו זכר/זכר 1 מ'
שבב בקרDamgooTPA311650w+50w מגבר אודיו 2 ערוצים (Bluetooth ו-AUX)
DC מתאםAdafruit79812 V DC 1A מתאם מתח מיתוג מווסת
קצה מיקרו-פיפטהVWR Signature37001-532200 ul micropipette
tip איטום סיליקוןLoctite908570איטום סיליקון שקוף עמיד למים (80 מ"ל)
רמקולDrok68439964.5 אינץ' 4 אוהם 40 W רמקול
תושבתרמקולתלת מימד מודפס מ-'speakermount.stl' בקבצים משלימים
רמקול לצינורמודפס בתלת מימד מ-'speaketubeadapter.stl' בקבצים משלימים
<חזק>ייצור מיקרו-ערוץ
אגרוף ביופסיהMiltex15110אגרוף ביופסיה עם בוכנה (1 - 4 מ"מ)
Degasser
פעמית כף
זכוכית שקופיותVWR Signature16004-4303 "x 1" נקי מראש בעובי 1 מ"מ
עובשSi - SU-8 או מודפס בתלת מימד
תנורFischer ScientificIsotemp
PDMS שרף ו-cross-linkerDow Chemical4019862Sylgard 184 שרף PDMS וקרוסלינקר (500 גרם)
צינורות פוליאתילןBecton Dickinson Intramedic427440צינורות פוליאתילן (PE 60 - PE 200)
סכיני גילוחVWR55411-050סכיני גילוח תעשייתיים קצה יחיד
מחולל פלזמה RFמוצרים אלקטרו-טכנייםBD - 20מחולל בתדר גבוה
שחרור תבנית סיליקוןCRC03301שחרור עובש סיליקון בדרגת מזון (16 אונקיות)
<חזק>תצפית ואפיון
מצלמהEdgertronicSC2 +
עדשהNikonPlan Fluor 10x
מיקרוסקופNikonTi Eclipse שלב ידני
מחטיםBecton Dickinson305175  PrecisionGlide 20G
מזרקבקטון דיקינסון1180100555מונו-ג'קט 1 מ"ל
משאבת מזרקהרווארד מזרקכפול משאבת מזרק ניתנת לתכנות
חלקיקימעקב SpherotechPP-10-10חלקיקי מעקב פוליסטירן 1 אום
מתאם חדחד פעמית

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. Microfluidic Mixing: A Review. ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Oscillatory FlowMicrofluidic TechnologyMicrochannel OscillationSpeaker Based ApparatusHarmonic Oscillatory FlowSyringe PumpTracer ParticlesStroboscopic ImagingHigh Speed CameraParticle Displacement

Related Articles