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.
Method Article
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.
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.
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 נימיים9 או זרימה אלקטרו-אוסמוטית10. משאבות מזרקים ניתנות לתכנות מאפשרות שליטה דו-כיוונית תלוית זמן בקצבי הזרימה ובנפחים המחולקים, אך הן מוגבלות לזמני תגובה העולים על 1 שניות בשל האינרציה המכנית של משאבת המזרק.
בקרת זרימה בקני מידה קצרים יותר של זמן פותחת שפע של 6,11,12,13,13,14,15 אפשרויות שאינן נגישות בדרך אחרת עקב שינויים איכותיים בפיזיקת הזרימה. האמצעי המעשי ביותר לרתום את פיזיקת הזרימה המגוונת הזו הוא באמצעות גלים אקוסטיים או זרימות מתנדות עם פרקי זמן הנעים בין 10-1- 10-9 שניות או 101 -109 הרץ. הקצה הגבוה יותר של תחום תדרים זה נגיש באמצעות גל אקוסטי בתפזורת (BAW; 100 kHz-10 MHz) והתקני גל אקוסטי על פני השטח (SAW; 10 MHz-1 GHz). בהתקן BAW טיפוסי, המצע כולו ועמודת הנוזלים רוטטים על ידי הפעלת אות מתח על פני פיאזואלקטרי מלוכד. זה מאפשר תפוקות גבוהות יחסית אך גם גורם לחימום באמפליטודות גבוהות יותר. בהתקני SAW, לעומת זאת, הממשק המוצק-נוזלי מתנודד על ידי הפעלת מתח על זוג אלקטרודות משולבות בתבנית על מצע פיאזואלקטרי. בשל אורכי הגל הקצרים מאוד (1 μm-100 μm) חלקיקים קטנים כמו 300 ננומטר ניתן לתמרן במדויק על ידי גל הלחץ שנוצר בהתקני SAW. למרות היכולת לתפעל חלקיקים קטנים, שיטות SAW מוגבלות למניפולציה מקומית של חלקיקים מכיוון שהגל מתמעט במהירות עם המרחק מהמקור.
בתחום התדרים של 1-100 קילוהרץ, זרימות מתנדות נוצרות בדרך כלל באמצעות רכיבי פיאזו המחוברים למיקרו-ערוץ פולידימתילסילוקסן (PDMS) מעל חלל מתוכנן16,17. קרום ה-PDMS שמעל החלל המעוצב מתנהג כמו קרום רוטט או תוף שלוחץ על הנוזל בתוך התעלה. בתחום תדרים זה, אורך הגל גדול מגודל הערוץ, אך משרעת מהירות התנודה קטנה. התופעה השימושית ביותר במשטר תדרים זה היא יצירת זרימות זרימה אקוסטיות/צמיגות, שהן זרימות יציבות מתוקנות הנגרמות עקב אי-ליניאריות הטבועה בזרימת נוזלים עם אינרציה18. זרמי הזרימה היציבים מתבטאים בדרך כלל במערבולות נגדיות המסתובבות במהירות גבוהה בקרבת מכשולים, פינות חדות או מיקרו-בועות. מערבולות אלה שימושיות לערבובשל 19,20 ולהפרדת חלקיקים בגודל 10 מיקרומטר מזרם הזרימה21.
עבור תדרים בטווח של 10-1000 הרץ, הן המהירות של הרכיב המתנד והן הזרימה הצמיגית היציבה הקשורה אליו ניכרות בגודלן ושימושיות. זרימות מתנדות חזקות בתחום תדרים זה יכולות לשמש למיקוד אינרציאלי22, להקל על יצירת טיפות23, ויכולות ליצור תנאי זרימה (מספרי Womersley) המחקים את זרימת הדם עבור מחקרי מבחנה . מצד שני, זרימות זורמות שימושיות לערבוב, לכידת חלקיקים ומניפולציה. זרימה מתנדתית בטווח תדרים זה יכולה להתבצע גם באמצעות רכיב piezo המחובר למכשיר כמתואר לעיל23. מכשול משמעותי ביישום זרימות מתנדות דרך אלמנט פיאזו מלוכד הוא שהוא דורש לתכנן תכונות מראש. יתר על כן, רכיבי הרמקולים המחוברים אינם ניתנים לניתוק, ויש לחבר אלמנט חדש לכל מכשיר24. עם זאת, מכשירים כאלה מציגים את היתרון של להיות קומפקטי. שיטה חלופית היא שימוש בשסתום ממסר אלקטרומכני20. שסתומים אלה דורשים מקורות לחץ פנאומטיים ותוכנת בקרה מותאמת אישית לתפעול ולכן מגבירים את המחסום הטכני לבדיקה וליישום. עם זאת, התקנים כאלה מאפשרים את היישום של משרעת לחץ להגדיר ותדירות.
במאמר זה מתוארת הבנייה, ההפעלה והאפיון של שיטה ידידותית למשתמש ליצירת זרימות מתנדות בתחום התדרים של 10-1000 הרץ במיקרו-ערוצים. השיטה מציעה יתרונות רבים כגון הרכבה חסכונית, קלות תפעול ומוכנה להתממשק עם ערוצים ואביזרים מיקרופלואידיים סטנדרטיים כגון משאבות מזרקים וצינורות. בנוסף, בהשוואה לגישות דומות קודמות25, השיטה מציעה למשתמש שליטה סלקטיבית ועצמאית על תדרי תנודה ואמפליטודות, כולל אפנון בין צורות גל סינוסואידליות ולא סינוסואידליות. תכונות אלה מאפשרות למשתמשים לפרוס בקלות זרימות מתנדות, ולכן, מאפשרות אימוץ נרחב למגוון רחב של טכנולוגיות ויישומים מיקרופלואידיים הקיימים כיום בתחומי הביולוגיה והכימיה.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. תכנון וייצור תבניות אב טיפוס מהיר
2. ייצור מיקרו-ערוצים PDMS
3. הרכבה של נהגים מתנדנדים
4. מכלול המתאם
הערה: מכלול המתאם המלא בין רמקול לצינור מודגם על-ידי הסכימה באיור 1.
5. הפעלת מערך הניסוי לזרימות מתנדות במיקרו-ערוצים
6. מדידת תצפית ומדידת משרעת
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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.
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.
למחברים אין מה לחשוף.
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.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| <חזק>מכלול נהג תנודתי | |||
| חוט תנין לפין | Adafruit | 3255 | קליפ תנין קטן לחוט מגשר זכר (12) |
| כבל | Aux Adafruit | 2698 | 3.5 מ"מ כבל סטריאו זכר/זכר 1 מ' |
| שבב בקר | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w מגבר אודיו 2 ערוצים (Bluetooth ו-AUX) |
| DC מתאם | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A מתאם מתח מיתוג מווסת |
| קצה מיקרו-פיפטה | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette |
| tip איטום סיליקון | Loctite | 908570 | איטום סיליקון שקוף עמיד למים (80 מ"ל) |
| רמקול | Drok | 6843996 | 4.5 אינץ' 4 אוהם 40 W רמקול |
| תושבת | רמקולתלת מימד מודפס מ-'speakermount.stl' בקבצים משלימים | ||
| רמקול לצינור | מודפס בתלת מימד מ-'speaketubeadapter.stl' בקבצים משלימים | ||
| <חזק>ייצור מיקרו-ערוץ | |||
| אגרוף ביופסיה | Miltex | 15110 | אגרוף ביופסיה עם בוכנה (1 - 4 מ"מ) |
| Degasser | |||
| פעמית כף | |||
| זכוכית שקופיות | VWR Signature | 16004-430 | 3 "x 1" נקי מראש בעובי 1 מ"מ |
| עובש | Si - SU-8 או מודפס בתלת מימד | ||
| תנור | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS שרף ו-cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 שרף PDMS וקרוסלינקר (500 גרם) |
| צינורות פוליאתילן | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | צינורות פוליאתילן (PE 60 - PE 200) |
| סכיני גילוח | VWR | 55411-050 | סכיני גילוח תעשייתיים קצה יחיד |
| מחולל פלזמה RF | מוצרים אלקטרו-טכניים | BD - 20 | מחולל בתדר גבוה |
| שחרור תבנית סיליקון | CRC | 03301 | שחרור עובש סיליקון בדרגת מזון (16 אונקיות) |
| <חזק>תצפית ואפיון | |||
| מצלמה | Edgertronic | SC2 + | |
| עדשה | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| מיקרוסקופ | Nikon | Ti Eclipse שלב ידני | |
| מחטים | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| מזרק | בקטון דיקינסון | 1180100555 | מונו-ג'קט 1 מ"ל |
| משאבת מזרק | הרווארד מזרק | כפול משאבת מזרק ניתנת לתכנות | |
| חלקיקי | מעקב Spherotech | PP-10-10 | חלקיקי מעקב פוליסטירן 1 אום |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission